排序算法之4：快速排序 QuickSort

快速排序（英语：Quicksort），又称划分交换排序（partition-exchange sort），一种[排序算法]，最早由[东尼 · 霍尔]提出。在平均状况下，排序n个项目要[Ο](n log n) 次比较。在最坏状况下则需要Ο(n^2) 次比较，但这种状况并不常见。事实上，快速排序通常明显比其他Ο(n log n) 算法更快，因为它的内部循环（inner loop）可以在大部分的架构上很有效率地被实现出来。

快速排序使用分治法（Divide and conquer）策略来把一个序列（list）分为两个子序列（sub-lists）。
步骤为：

1. 从数列中挑出一个元素，称为 "基准"（pivot），
2. 重新排序数列，所有比基准值小的元素摆放在基准前面，所有比基准值大的元素摆在基准后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区结束之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作。
3. 递归地（recursively）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。

递归到最底部时，数列的大小是零或一，也就是已经排序好了。这个算法一定会结束，因为在每次的迭代（iteration）中，它至少会把一个元素摆到它最后的位置去。

public class QuickSort {
    public static void sort(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return;
        }
        quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    /**
     * 递归划分子序列
     *
     * @param arr
     * @param left
     * @param right
     */
    public static void quickSort(int[] arr, int left, int right) {

        System.out.println("quickSort：" + print(arr));

        if (left >= right) {
            return;
        }
        int pivotPos = partition(arr, left, right);
        quickSort(arr, left, pivotPos - 1);
        quickSort(arr, pivotPos + 1, right);
    }
    
    /**
     * 稍优的划分逻辑
     * 一次划分流程
     * 
     * 按照把左边第一个数字作为基准数的话，逻辑如下：
     * 1. 右指针从右往左找到比基准数小的数字，找到时指针停止移动，且给左指针数字赋值为右指针对应的数字
     * 2. 左指针从左往右找到比基准数大的数字，找到时指针停止移动，且给右指针数字赋值为左指针对应的数字
     * 3. 交换相遇时的数字和基准数
     * 4. 此时基准数左边都是比基准数小的数字，基准数右边都是比基准数大的数字
     * 5. 此时一轮划分执行完毕
     *
     * @param arr
     * @param left 左指针
     * @param right 右指针
     * @return
     */
    public static int partition(int[] arr, int left, int right) {
        int pivotKey = arr[left];

        while (left < right) {
            while (left < right && arr[right] >= pivotKey) {
                right--;
            }
            arr[left] = arr[right]; //把小的数字移动到左边
            System.out.println(print(arr));
            
            while (left < right && arr[left] <= pivotKey) {
                left++;
            }
            arr[right] = arr[left]; //把大的移动到右边
            System.out.println(print(arr));
        }
        arr[left] = pivotKey; //最后把pivot赋值到中间
        System.out.println(print(arr));
        
        return left;
    }

    /**
     * 代码中基准数已经在 pivotKey 中保存了，所以不需要每次交换都设置一个 temp 变量，
     * 在交换左右指针的时候只需要先后覆盖就可以了。
     * 这样既能减少空间的使用还能降低赋值运算的次数
     * 
     * 一次划分流程
     *
     * 按照把左边第一个数字作为基准数的话，逻辑如下：
     * 1. 右指针从右往左找到比基准数小的数字，找到时指针停止移动
     * 2. 左指针从左往右找到比基准数大的数字，找到时指针停止移动
     * 3. 交换这两个数字
     * 4. 重复步骤1和步骤2，如果两者相遇时，则停止移动
     * 5. 交换相遇时的数字和基准数
     * 6. 此时基准数左边都是比基准数小的数字，基准数右边都是比基准数大的数字
     * 7. 此时一轮划分执行完毕
     *
     * @param arr
     * @param left 左指针
     * @param right 右指针
     * @return
     */
    public static int partitionOld(int[] arr, int left, int right) {
        int pivotKey = arr[left];
        int initLeft = left;
        
        while (left < right) {
            while (left < right && arr[right] >= pivotKey) {
                right--;
            }

            while (left < right && arr[left] <= pivotKey) {
                left++;
            }
            
            swap(arr, left, right);
            System.out.println(print(arr));
        }

        swap(arr, initLeft, left);
        System.out.println(print(arr));
        return left;
    }

    public static void swap(int[] arr, int left, int right) {
        int temp = arr[left];
        arr[left] = arr[right];
        arr[right] = temp;
    }
}