SGI STL sort()源码分析

首先将stl sort完整源码列如下所示：

template 
inline void sort(_RandomAccessIter __first, _RandomAccessIter __last) {
  __STL_REQUIRES(_RandomAccessIter, _Mutable_RandomAccessIterator);
  __STL_REQUIRES(typename iterator_traits<_RandomAccessIter>::value_type,
                 _LessThanComparable);
  if (__first != __last) {
    __introsort_loop(__first, __last,
                     __VALUE_TYPE(__first),
                     __lg(__last - __first) * 2);
    __final_insertion_sort(__first, __last);
  }
}

其中 __introsort_loop排序称为内省式排序，introsort是David R.Musser于1996年提出一种混合式排序算法： Introspective Sorting（内省式排序），简称 IntroSort，其行为大部分与上面所说的 median-of-three Quick Sort完全相同，但是当分割行为有恶化为二次方的倾向时，能够自我侦测，转而改用堆排序，使效率维持在堆排序的 O(nlgn)，又比一开始就使用堆排序来得好。

__introsort_loop排序第三个参数中所调用的函数__lg()便是用来控制分割恶化情况，代码如下：

template 
inline Size __lg(Size n) {
    Size k;
    for (k = 0; n > 1; n >>= 1) ++k;
    return k;
}

即求 lg(n)（取下整），意味着快速排序的递归调用最多 2*lg(n) 层。

内省式排序算法完整代码如下所示：

template 
void __introsort_loop(_RandomAccessIter __first,
                      _RandomAccessIter __last, _Tp*,
                      _Size __depth_limit)
{
  while (__last - __first > __stl_threshold) {
    if (__depth_limit == 0) {
      partial_sort(__first, __last, __last);
      return;
    }
    --__depth_limit;
    _RandomAccessIter __cut =
      __unguarded_partition(__first, __last,
                            _Tp(__median(*__first,
                                         *(__first + (__last - __first)/2),
                                         *(__last - 1))));
    __introsort_loop(__cut, __last, (_Tp*) 0, __depth_limit);
    __last = __cut;
  }
}

1.首先判断元素规模是否大于阀值__stl_threshold，__stl_threshold是一个常整形的全局变量，值为16，表示若元素规模小于等于16，则结束内省式排序算法，返回sort函数，改用插入排序。
2.若元素规模大于__stl_threshold，则限制。若已经到达最大限制层次的递归调用，则改用堆排序。代码中的partial_sort即用堆排序实现。

3.若没有超过递归调用深度，则调用函数__unguarded_partition()对当前元素做一趟快速排序，并返回枢轴位置。__unguarded_partition()函数采用的便是上面所讲的使用两个迭代器的方法，代码如下：

template 
_RandomAccessIter __unguarded_partition(_RandomAccessIter __first, 
                                    _RandomAccessIter __last, 
                                    _Tp __pivot) 
{
while (true) {
    while (*__first < __pivot)
        ++__first;
    --__last;
    while (__pivot < *__last)
        --__last;
    if (!(__first < __last))
        return __first;
    iter_swap(__first, __last);
    ++__first;
}
}

4.经过一趟快速排序后，再递归对右半部分调用内省式排序算法。然后回到while循环，对左半部分进行排序。源码写法和我们一般的写法不同，但原理是一样的，需要注意。
递归上述过程，直到元素规模小于__stl_threshold，然后返回sort函数，对整个元素序列调用一次插入排序，此时序列中的元素已基本有序，所以插入排序也很快。至此，整个sort函数运行结束。

备注;

1、STL中的sort并非只是普通的快速排序，除了对普通的快速排序进行优化，它还结合了插入排序和堆排序。根据不同的数量级别以及不同情况，能自动选用合适的排序方法。当数据量较大时采用快速排序，分段递归。一旦分段后的数据量小于某个阀值，为避免递归调用带来过大的额外负荷，便会改用插入排序。而如果递归层次过深，有出现最坏情况的倾向，还会改用堆排序。

2、快速排序最关键的地方在于枢轴的选择，最坏的情况发生在分割时产生了一个空的区间，这样就完全没有达到分割的效果。STL采用的做法称为median-of-three，即取整个序列的首、尾、中央三个地方的元素，以其中值作为枢轴。

分割的方法通常采用两个迭代器head和tail，head从头端往尾端移动，tail从尾端往头端移动，当head遇到大于等于pivot的元素就停下来，tail遇到小于等于pivot的元素也停下来，若head迭代器仍然小于tail迭代器，即两者没有交叉，则互换元素，然后继续进行相同的动作，向中间逼近，直到两个迭代器交叉，结束一次分割。