排序算法(四) -- 归并排序、基数排序

1.归并排序

1.1 归并排序介绍:

归并排序(MERGE-SORT)是利用归并的思想实现的排序方法,该算法采用经典的分治(divide-and-conquer) 策略(分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解,而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起,即分而治之)。

1.2 归并排序思想示意图 1-基本思想:

排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第1张图片

1.3 归并排序思想示意图 2-合并相邻有序子序列:

再来看看治阶段,我们需要将两个已经有序的子序列合并成一个有序序列,比如上图中的最后一次合并,要将
[4,5,7,8]和[1,2,3,6]两个已经有序的子序列,合并为最终序列[1,2,3,4,5,6,7,8],来看下实现步骤:
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第2张图片
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第3张图片

1.4 归并排序的代码实现

  • 拆分过程:
//分+合方法
	public static void mergeSort(int[] arr , int left,int right,int[] temp){
		if(left < right){
			int mid = (left + right) / 2;//中间索引
			//向左递归分解
			mergeSort(arr,left,mid,temp);
			//向右递归分解
			mergeSort(arr,mid + 1,right,temp);
			merge(arr, left, mid, right, temp);
		}
	}
  • 合并过程:
/***
	 * 
	 * @param arr  排序的原始数组
	 * @param left 左边有序序列的初始索引
	 * @param mid  中间索引
	 * @param right右边索引
	 * @param temp 做中转的数组
	 */
	public static void merge(int[] arr,int left,int mid,int right,int[] temp){
		//System.out.println("XXXXXXX");
		int i = left;   //初始化i,左边有序序列的初始索引
		int j = mid + 1;//初始化j,右边有序序列的初始索引
		int t = 0;      //指向temp数组的当前索引
		
		//(一)
		//先把左右两边(有序)的数组按照规则填充到temp数组
		//直到左右两边的有序序列有一边处理完毕为止
		while(i <= mid && j <= right){
			//如果左边的有序序列的当前元素小于等于右边有序序列的当前元素 将左边的当前元素填充到temp数组
			if(arr[i] < arr[j]){
				temp[t] = arr[i];
				t += 1;
				i += 1;
			}else {  //反之,将右边有序序列的当前元素填充到temp数组
				temp[t] = arr[j];
				t += 1;
				j += 1;
			}
			
		}
		
		//(二)
		//把有剩余的数据的一遍的数据依次全部填充到temp
		while(i <= mid){//左边有序序列还有剩余的元素,就全部填充到temp
			temp[t] = arr[i];
			t += 1;
			i += 1;
		}
		// 把有剩余的数据的一遍的数据依次全部填充到temp
		while (j <= right) {// 右边有序序列还有剩余的元素,就全部填充到temp
			temp[t] = arr[j];
			t += 1;
			j += 1;
		}
		
		//(三)
		//将temp数组的元素拷贝到arr
		//注意:并不是每次都要拷贝所有
		t = 0;
		int tempLeft = left;
		//第一次合并 tempLeft = 0; right = 1;最后一次 tempLeft = 0 right = 7
		//System.out.println("tempLeft="+tempLeft +" right="+right);
		while(tempLeft <= right){
			arr[tempLeft] = temp[t];
			t +=1;
			tempLeft += 1;
		}
	}

1.5 归并排序的性能测试

随机生成80000个整数进行排序测试

public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub

		//int[] arr = {8,4,5,7,1,3,6,2};
		int[] arr = new int[8000000];
		for(int i = 0 ; i < 8000000; i++){
			arr[i] = (int)(Math.random() * 8000000);//生成一个[0,800000]之间的数
		}
		Date date1 = new Date();
		SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
		String date1Str = simpleDateFormat.format(date1);
		System.out.println("排序前的时间是:"+date1Str);
		int[] temp = new int[arr.length];
		mergeSort(arr,0,arr.length - 1,temp);
		//System.out.println("合并后的数组为:"+Arrays.toString(arr));
		Date date2 = new Date();
		String date2Str = simpleDateFormat.format(date2);
		System.out.println("排序后的时间是:"+date2Str);
	}

运行结果如下:
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第4张图片

2. 基数排序

2.1 基数排序(桶排序)介绍:

  1. 基数排序(radix sort)属于“分配式排序”(distribution sort),又称“桶子法”(bucket sort)或 bin sort,顾名思义,它是通过键值的各个位的值,将要排序的元素分配至某些“桶”中,达到排序的作用
  2. 基数排序法是属于稳定性的排序,基数排序法的是效率高的稳定性排序法
  3. 基数排序(Radix Sort)是桶排序的扩展
  4. 基数排序是 1887 年赫尔曼•何乐礼发明的。它是这样实现的:将整数按位数切割成不同的数字,然后按每个位数分别比较。

2.2 基数排序基本思想

  1. 将所有待比较数值统一为同样的数位长度,数位较短的数前面补零。然后,从最低位开始,依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后, 数列就变成一个有序序列。
  2. 这样说明,比较难理解,下面我们看一个图文解释,理解基数排序的步骤

2.3 基数排序图文说明

将数组 {53, 3, 542, 748, 14, 214} 使用基数排序, 进行升序排序
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第5张图片
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第6张图片

2.4 基数排序代码实现

//基数排序方法
	public static void radixSort(int[] arr){

		// 根据前面的推导过程,我们可以得到最终的基数排序的代码
		int max = arr[0];
		for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
			if (arr[i] > max) {
				max = arr[i];
			}
		}
		// 得到最大数是几位数
		int maxLength = (max + "").length();
		for (int i = 0, n = 1; i < maxLength; i++, n *= 10) {
			int[][] bucket = new int[10][arr.length];
			// 为了记录每个桶中,实际存放了多少个数据,定义一个一维数组来记录各个桶的每次放入的数据个数
			int[] bucketElementCounts = new int[10];
			for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
				// 取出每个元素的各位的值
				int digitOfElement = arr[j] / n % 10;
				// 放入到对应的桶中
				bucket[digitOfElement][bucketElementCounts[digitOfElement]] = arr[j];
				bucketElementCounts[digitOfElement]++;
			}
			// 按照桶的顺序依次取出数据放入原来的数组中
			int index = 0;
			// 遍历每一个桶,并将桶中数据放入原来的数组中
			for (int k = 0; k < bucketElementCounts.length; k++) {
				if (bucketElementCounts[k] != 0) {
					// 循环该桶即第K个桶
					for (int l = 0; l < bucketElementCounts[k]; l++) {
						arr[index++] = bucket[k][l];
					}
				}
				// 需要将每个bucketElementCounts[k] = 0
				bucketElementCounts[k] = 0;
			}
			//System.out.println("第" + (i + 1) + "轮处理后数组为:" + Arrays.toString(arr));

		}
}

2.5 基数排序性能测试

public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub

		//int[] arr = {53, 3, 542, 748, 14, 214};
		int[] arr = new int[80000];
		for(int i = 0 ; i < 80000; i++){
			arr[i] = (int)(Math.random() * 80000);//生成一个[0,80000]之间的数
		}
		Date date1 = new Date();
		SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
		String date1Str = simpleDateFormat.format(date1);
		System.out.println("排序前的时间是:"+date1Str);
		radixSort(arr);
		Date date2 = new Date();
		String date2Str = simpleDateFormat.format(date2);
		System.out.println("排序后的时间是:"+date2Str);
	}

运行结果如下:
排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第7张图片

2.6 基数排序的说明:

  1. 基数排序是对传统桶排序的扩展,速度很快.
  2. 基数排序是经典的空间换时间的方式,占用内存很大, 当对海量数据排序时,容易造成 OutOfMemoryError 。
  3. 基数排序时稳定的。[注:假定在待排序的记录序列中,存在多个具有相同的关键字的记录,若经过排序,这些记录的相对次序保持不变,即在原序列中,r[i]=r[j],且 r[i]在 r[j]之前,而在排序后的序列中,r[i]仍在 r[j]之前, 则称这种排序算法是稳定的;否则称为不稳定的]
  4. 有负数的数组,我们不用基数排序来进行排序, 如果要支持负数,参考: https://code.i-harness.com/zh-CN/q/e98fa9

3 常用排序算法总结和对比

3.1 一张排序算法的比较图

排序算法(四) -- 归并排序、基数排序_第8张图片

3.2 相关术语解释:

  1. 稳定:如果 a 原本在 b 前面,而 a=b,排序之后 a 仍然在 b 的前面;
  2. 不稳定:如果 a 原本在 b 的前面,而 a=b,排序之后 a 可能会出现在 b 的后面;
  3. 内排序:所有排序操作都在内存中完成;
  4. 外排序:由于数据太大,因此把数据放在磁盘中,而排序通过磁盘和内存的数据传输才能进行;
  5. 时间复杂度: 一个算法执行所耗费的时间。
  6. 空间复杂度:运行完一个程序所需内存的大小。
  7. n: 数据规模
  8. k: “桶”的个数
  9. In-place: 不占用额外内存
  10. Out-place: 占用额外内存

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