常见排序算法汇总

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一、选择排序

选择排序是最简单直观的排序算法。它的原理是对未排好序的数据进行循环遍历，每一轮遍历找出最小的元素，将其放到已排好序的序列末尾。无论输入的数据状况如何，都需要进行N轮遍历，因此时间复杂度是固定的$O(N^2)$。优点是只需要申请有限的几个变量，空间复杂度为$O(1)$。

代码如下：

/**
 * 选择排序
 * @param arr
 */
private static void selectionSort(int arr[]){
    for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {
        for (int j = i+1; j < arr.length; j++) {
            if(arr[j] < arr[i]){
                // 交换
                int temp = arr[i];
                arr[i] = arr[j];
                arr[j] = temp;
            }
        }
    }
}

二、插入排序

插入排序的基本思想是将一个新的元素插入到已经排好序的序列中。类似于我们打扑克时不断摸牌插入手牌的过程。

它的排序过程如下：
遍历数组，假设当前到达第 K 个元素，此时前面 0~K-1 个元素是已经排好序的，因此只需要比较第 K 个元素和第 K-1 个元素，如果前者比后者小，则交换两个元素，继续向前遍历，直到找到前者比后者大的数。

代码如下：

/**
 * 插入排序
 * @param arr
 */
private static void insertionSort(int arr[]){
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        for (int j = i-1; j >=0 ; j--) {
            // 0~n 时,如果arr[n-1]>arr[n],则交换
            if(arr[j]>arr[j+1]){
                arr[j] = arr[j] ^ arr[j+1];
                arr[j+1] = arr[j] ^ arr[j+1];
                arr[j] = arr[j] ^ arr[j+1];
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

插入排序的时间复杂度在输入数据有序时，时间复杂度是$O(N)$，但平均和最坏情况下仍然是$O(N^2)$。它的空间复杂度同样为$O(1)$。

三、冒泡排序

对序列中的元素两两进行排序，在一次次遍历过程中，较小的元素会像水中的气泡一样慢慢上浮。

代码如下：

/**
 * 冒泡排序
 * @param arr
 */
private static void bubbleSort(int arr[]){
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        for (int j = 0; j < arr.length-1-i; j++) {
            if(arr[j] > arr[j+1]){
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = temp;
            }
        }
    }
}

四、归并排序

归并排序是分治算法的一种典型应用。它的基本思想是将原本的序列拆分成一个个小的片段，先对小的片段进行排序，然后片段之间组合，再进行排序。实际上就是从局部有序到整体有序的过程。

下面通过一个具体的例子展示其具体过程：

代码如下：

/**
 * 归并排序
 * @param arr 输入数据
 * @param L 左指针
 * @param R 右指针
 */
private static void process(int arr[],int L,int R){
    // base case
    if(L==R){
        return;
    }
    // 求出中点(其实就是(L+R)/2,先减后加防止溢出)
    int mid = L+((R-L)>>1);
    // 对左侧排序
    process(arr,L,mid);
    // 对右侧排序
    process(arr,mid+1,R);
    // 合并两边的子数组
    merge(arr,L,mid,R);
}

/**
 * 合并方法
 */
private static void merge(int arr[],int L,int M,int R){
    // 临时数组,用来存储排好序的一段数组元素,最后会拷贝回原数组
    int temp[] = new int[R-L+1];
    // 临时数组的指针
    int i = 0;
    // 左侧指针
    int p1 = L;
    // 右侧指针
    int p2 = M+1;
    // 左右两个指针所指元素进行比较,小的元素存入temp,它的指针向后移动
    while(p1<=M && p2<=R){
        temp[i++] = arr[p1]>arr[p2] ? arr[p2++]:arr[p1++];
    }
    // 当其中一个指针已经走完,说明另一半数组剩余的元素都比当前元素大
    // 所以将剩余的元素直接拷贝到临时数组
    while(p1<=M){
        temp[i++] = arr[p1++];
    }
    while(p2<=R){
        temp[i++] = arr[p2++];
    }
    // 最后再将临时数组拷贝回原数组
    for (int j = 0; j < temp.length; j++) {
        arr[L+j] = temp[j];
    }
}

根据Master公式 $T(N)=a\ast T(N/b)+O(N^d)$可以计算出归并排序的时间复杂度为 $O(NlogN)$。

五、快速排序

快速排序也是分治算法的典型应用。我们可以通过一个例题来引出快速排序的基本思想：

给定一个数组，和一个数num，要求将数组划分为左侧小于num，中间等于num和右侧大于num。
要求时间复杂度为O(N)，空间复杂度为O(1)。

由于要求时间复杂度为$O(N)$，所以需要在有限次遍历中完成数组的划分。可以考虑维护两个指针，将数组划分为大于区、等于区和小于区。在遍历的过程中，两个指针的移动代表着大于区和小于区的边界的变化。通过这两个指针我们就可以了解当前已经排好序的元素有哪些，还没有排好序的元素有哪些。

下面通过一个例子展示其具体过程：

代码如下：

/**
 * 荷兰国旗问题
 * @param arr 原数组
 * @param num 基准值
 */
private static void partition(int arr[],int num){
    int i = 0;
    // 小于区指针
    int smallPoint = -1;
    // 大于区指针
    int bigPoint = arr.length;
    while(i<bigPoint){
        // 小于时,当前元素与小于区下一个元素交换,小于区右扩
        if(arr[i] < num){
            int a = arr[smallPoint + 1];
            arr[smallPoint + 1] = arr[i];
            arr[i] = a;
            i++;
            smallPoint++;
        }else if(arr[i] == num){
            // 等于时,只动指针
            i++;
        }else{
            // 大于时,大于区前一个元素与当前元素互换,大于区左扩
            int a = arr[bigPoint - 1];
            arr[bigPoint - 1] = arr[i];
            arr[i] = a;
            bigPoint--;
        }
    }
}

通过上面的例题我们可以发现，经过一轮partition处理，序列中等于区的元素已经被排好了位置，即前面的元素都小于等于区的元素，后面的元素都大于等于区的元素。那么如果对大于区和小于区分别进行上述处理，并依次递归下去，到最后我们不就能得到一串有序的序列了？其实这就是快速排序的基本思想。

快速排序采用了与归并排序类似的递归策略，因此时间复杂度也可以由Master公式得出为$O(NlogN)$，同时，快速排序在常数项上的时间复杂度要小很多，因此在一般情况下，快排的时间复杂度要优于归并排序。
但上述版本的快速排序存在一个问题，当面对本身顺序性较强的序列时，每次选择固定位置的基准数就会造成partition时只有大于区和等于区或只有小于区和等于区的情况：

相当于每轮遍历只排好了一个元素，所以此时时间复杂度为$O(N^2)$。
为了优化最差情况下快排的性能，我们可以将“每次选择固定位置元素作为基准数”改为“每次选择随机位置的元素作为基准数”，这样虽然在每轮partition过程中的时间复杂度是不确定的，但总体上时间复杂度的期望值就是$O(NlogN)$。
代码如下：

/**
 * 快速排序
 *
 * @param arr 待排序数组
 * @param L 左边界
 * @param R 右边界
 */
private static void process(int arr[], int L, int R) {
    if (L >= R) {
        return;
    }
    // 随机位置的元素与最后一位元素交换
    swap(arr, (int) (L + Math.random() * (R - L + 1)), R);
    // 对当前序列进行划分
    int a[] = partition(arr, L, R);
    // 对大于区和小于区进行排序
    process(arr, L, a[0]);
    process(arr, a[1], R);
}

/**
 * 交换
 */
private static void swap(int arr[], int index1, int index2) {
    int a = arr[index1];
    arr[index1] = arr[index2];
    arr[index2] = a;
}

/**
 * 划分
 *
 * @param arr 要划分的数组
 * @param L 左边界
 * @param R 右边界
 * @return 小于区最后一个元素和大于区第一个元素
 */
private static int[] partition(int arr[], int L, int R) {
    // 小于区指针
    int smallPoint = L - 1;
    // 大于区指针
    int bigPoint = R;
    while (L < bigPoint) {
        // 当前数小于划分值,小于区下一个数与当前数交换,小于区右扩,L++
        if (arr[L] < arr[R]) {
            swap(arr, ++smallPoint, L++);
        } else if (arr[L] > arr[R]) {
            // 当前数大于划分值，大于区上一个数与当前数交换,大于区左扩
            swap(arr, --bigPoint, L);
        } else {
            // 当前数等于划分值,L++
            L++;
        }
    }
    // 最后,将划分值与大于区第一位元素交换
    swap(arr, R, bigPoint++);
    // 返回小于区末尾和大于区第一个元素
    return new int[]{smallPoint, bigPoint};
}

六、堆排序

堆排序就是利用了堆这种数据结构进行排序的算法。主要使用以下两种堆：
 大根堆：每个节点都比它的子节点大的完全二叉树。
 小根堆：每个节点都比它的子节点小的完全二叉树。

那么堆是如何生成的呢？下面以大根堆为例进行讲解：
虽然堆是树形结构，但我们可以使用数组进行存储，以提高其读取的性能；同时，通过父子节点之间的位置关系计算，也可以以较小的时间复杂度实现新增和删除操作。堆结构主要有如下两种操作：
（1）上浮操作
当我们往堆中插入一个元素时，往往将其插入到最后一个位置，此时的堆有可能不再满足大根堆的特性，因此可以对新来的节点进行上浮操作，直到将堆调整回大根堆的状态。根据大根堆的特性——根节点比所有子节点大，我们在调整时只需要让新节点与自己的父节点进行比较，如果比父节点大则交换两个节点，直到遇到比自己大的父节点即停止。当前节点 $i$ 的父节点位置也只需要通过计算获得：$(i-1)/2$。

代码如下：

/**
 * 上浮操作
 * @param arr 堆数组
 * @param index 要操作的元素下标
 */
private static void heapInsert(int arr[],int index){
    // 当前节点比父节点大,交换两者位置
    while(arr[index] > arr[(index-1)/2]){
        swap(arr,index,(index-1)/2);
        index = (index-1)/2;
    }
}

（2）下沉操作
当我们要删除堆元素时，可以将堆最后一个元素补到堆顶（一般堆只会删除堆顶元素，删除其他元素没有意义），此时堆可能失去了大根堆的特性，因此我们要对新的堆顶节点进行下沉操作。只需要将其与自己较大的孩子进行比较，如果比它小，则交换位置，直到遇到比自己小的孩子节点。


代码如下：

/**
 * 下沉操作
 * @param arr 堆数组
 * @param index 要操作的元素下标
 * @param heapSize 堆大小
 */
private static void heapify(int arr[],int index,int heapSize){
    // 先拿到左孩子节点
    int left = index*2 + 1;
    while(left < heapSize){
        // 找到最大的孩子节点
        int largest = left+1 < heapSize && arr[left+1] > arr[left] ? left+1 : left;
        // 比较父节点与子节点
        largest = arr[index] > arr[largest] ? index : largest;
        // 如果父节点更大,退出循环
        if(largest == index){
            break;
        }
        // 子节点大,则交换父节点与子节点
        swap(arr,largest,index);
        // 继续向下寻找子节点
        index = largest;
        left = index*2+1;
    }
}

掌握了上述两种堆的调整方法，堆排序就异常简单了，只需要将原序列一个一个插入（heapInsert）堆中，然后取出根节点，再对剩余的堆进行调整（heapify），循环往复，直到堆中的数据被取完。
代码如下：

/**
 * 堆排序
 * @param arr 原数组
 */
private static void heapSort(int arr[]){
    // 转换成大根堆
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        heapInsert(arr,i);
    }
    // 堆大小
    int heapSize = arr.length;
    while(heapSize > 0){
        // 交换首尾元素,并断开尾元素与堆的链接
        swap(arr,0,--heapSize);
        // 对首元素进行下沉操作
        heapify(arr,0,heapSize);
    }
}

/**
 * 交换
 */
private static void swap(int arr[],int index1,int index2){
    int a = arr[index1];
    arr[index1] = arr[index2];
    arr[index2] = a;
}

因为不管是heapify还是heapInsert操作，都只需要遍历堆的高度次，因此时间复杂度都是$O(logN)$。在排序过程中需要对堆中的每个元素进行遍历，每遍历一个元素就会进行一次heapify操作，因此堆排序的时间复杂度为$O(NlogN)$。

七、 总结

排序的稳定性： 指进行一次排序后，原本相等的两个元素仍然保持着原本的顺序。因为在实际生产中，影响数据顺序的维度不止一个，经常遇到待排序属性相同，但不希望改变原输入顺序的情况，因此在某些情况下，排序算法是否具有稳定性也是纳入参考的标准之一。
稳定的排序算法：冒泡排序（相等时不进行交换）、插入排序（相等时不进行交换）、归并排序（相等时先挪动左指针）
不稳定的排序算法：选择排序、快速排序、堆排序
最后总结一下各个算法的时间、空间复杂度及稳定性：

	时间复杂度	空间复杂度	稳定性
选择排序	$O(N^2)$	$O(1)$	不稳定
冒泡排序	$O(N^2)$	$O(1)$	稳定
插入排序	$O(N^2)$	$O(1)$	稳定
归并排序	$O(NlogN)$	$O(N)$	稳定
快速排序	$O(NlogN)$	$O(logN)$	不稳定
堆排序	$O(NlogN)$	$O(1)$	不稳定

参考
https://www.bilibili.com/video/BV13g41157hK