快速排序是图灵奖得主 C. R. A. Hoare 于 1960 年提出的一种划分交换排序。它采用了一种分治的策略,通常称其为分治法(Divide-and-ConquerMethod)。
分治法的基本思想是:将原问题分解为若干个规模更小但结构与原问题相似的子问题。递归地解这些子问题,然后将这些子问题的解组合为原问题的解。
利用分治法可将快速排序的分为三步:
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function partition(a, left, right, pivotIndex)
pivotValue := a[pivotIndex]
swap(a[pivotIndex], a[right]) // 把 pivot 移到結尾
storeIndex := left
for i from left to right-1
if a[i] < pivotValue
swap(a[storeIndex], a[i])
storeIndex := storeIndex + 1
swap(a[right], a[storeIndex]) // 把 pivot 移到它最後的地方
return storeIndex // 返回 pivot 的最终位置
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首先,把基准元素移到結尾(如果直接选择最后一个元素为基准元素,那就不用移动),然后从左到右(除了最后的基准元素),循环移动小于等于基准元素的元素到数组的开头,每次移动 storeIndex 自增 1,表示下一个小于基准元素将要移动到的位置。循环结束后 storeIndex 所代表的的位置就是基准元素的所有摆放的位置。所以最后将基准元素所在位置(这里是 right)与 storeIndex 所代表的的位置的元素交换位置。要注意的是,一个元素在到达它的最后位置前,可能会被交换很多次。
一旦我们有了这个分区算法,要写快速排列本身就很容易:
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procedure quicksort(a, left, right)
if right > left
select a pivot value a[pivotIndex]
pivotNewIndex := partition(a, left, right, pivotIndex)
quicksort(a, left, pivotNewIndex
-1)
quicksort(a, pivotNewIndex+
1, right)
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举例来说,现有数组 arr = [3,7,8,5,2,1,9,5,4],分区可以分解成以下步骤:
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pivot
↓
3 7 8 5 2 1 9 5 4
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1
2
3
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pivot
↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
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从左到右(除了最后的基准元素),循环移动小于基准元素 5 的所有元素到数组开头,留下大于等于基准元素的元素接在后面。在这个过程它也为基准元素找寻最后摆放的位置。循环流程如下:
循环 i == 0 时,storeIndex == 0,找到一个小于基准元素的元素 3,那么将其与 storeIndex 所在位置的元素交换位置,这里是 3 自身,交换后将 storeIndex 自增 1,storeIndex == 1:
1
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pivot
↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
↑
storeIndex
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循环 i == 3 时,storeIndex == 1,找到一个小于基准元素的元素 4:
1
2
3
4
5
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┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
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交换位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 2:
1
2
3
4
5
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pivot
↓
3 4 8 7 2 1 9 5 5
↑
storeIndex
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循环 i == 4 时,storeIndex == 2,找到一个小于基准元素的元素 2:
1
2
3
4
5
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┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 8 7 2 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
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交换位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 3:
1
2
3
4
5
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pivot
↓
3 4 2 7 8 1 9 5 5
↑
storeIndex
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循环 i == 5 时,storeIndex == 3,找到一个小于基准元素的元素 1:
1
2
3
4
5
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┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 2 7 8 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
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交换后位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 4:
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4
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pivot
↓
3 4 2 1 8 7 9 5 5
↑
storeIndex
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循环 i == 7 时,storeIndex == 4,找到一个小于等于基准元素的元素 5:
1
2
3
4
5
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┌───────────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 2 1 8 7 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
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交换后位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 5:
1
2
3
4
5
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pivot
↓
3 4 2 1 5 7 9 8 5
↑
storeIndex
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循环结束后交换基准元素和 storeIndex 位置的元素的位置:
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2
3
4
5
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pivot
↓
3 4 2 1 5 5 9 8 7
↑
storeIndex
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那么 storeIndex 的值就是基准元素的最终位置,这样整个分区过程就完成了。
引用维基百科上的一张图片: