各类排序算法整理

各种排序算法如下:

【可参考下面的两篇文章,写的都非常好。】

超详细十大经典排序算法总结(java代码)c或者cpp的也可以明白_Top_Spirit的博客-CSDN博客_排序算法汇总

必学十大经典排序算法,看这篇就够了(附完整代码/动图/优质文章)(修订版)

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  • 图片名词解释:

  • n: 数据规模

  • k: “桶”的个数

  • In-place: 占用常数内存,不占用额外内存

  • Out-place: 占用额外内存

排序的定义:对一序列对象根据某个关键字进行排序。

术语说明:

稳定 :如果a原本在b前面,而且a=b,排序之后a仍然在b的前面不稳定 :如果a原本在b的前面,而且a=b,排序之后a可能会出现在b的后面

内排序 :所有排序操作都在内存中完成; 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;

时间复杂度 : 一个算法执行所耗费的时间。 空间复杂度 :运行完一个程序所需内存的大小。

1.冒泡排序: 为内排序稳定排序

时间复杂度平均情况:T(n) = O(n^2),最佳情况:T(n) = O(n),最差情况:T(n) = O(n^2)

空间复杂度:O(1) 、原地排序。

思想(若是需要前小后大就如此,否则反过来):重复走访要比较的序列,一次比较两个元素,两个元素间大的往后放,小的往前放,最后越小的元素会慢慢冒泡至顶端。

冒泡排序最坏情况比较次数: (n-1)+(n-2)+(n-3)+…+1=n(n-1)/2。故为O(n^2)。 最坏情况下,每一轮该元素要和其他每一个元素进行比较。

最坏情况举例: 9 8 7 6 5 4 3 2 1

最好情况:O(n),即为按顺序排列,只进行一次比较即可。

最好情况举例:1 2 3 4 5 6 7 8 9

理解:最好情况和最坏情况的区别是进不进入第二个for循环里的if处理

稳定:是因为相等的时候不会交换。

func bubbleSort(arr []int) []int {
 if len(arr) == 0 || len(arr) == 1 {
   return arr
}
 // 从前往后冒泡,每次把大的往后放:
 for i := 0; i < len(arr); i ++ {
   for j := 0; j < len(arr)-1-i; j ++ {// len(arr)-1-i缩小需要比较的区间
     if arr[j] > arr[j+1] {
       arr[j], arr[j+1] = arr[j+1], arr[j]
    }
  }
}
 return arr
}

2.选择排序为内排序、不稳定。

时间复杂度平均情况:T(n) = O(n^2),最佳情况:T(n) = O(n^2),最差情况:T(n) = O(n^2),

空间复杂度:O(1)、原地排序。

因为无论什么数据进去都是O(n^2)的时间复杂度,因此用它的时候,数据规模越小越好。

不稳定——比如有4443,排序的时候会把第一个4和3交换,故本来在前面的4的位置去后面了。

思想(仍以前小后大为例):`将数组分为有序区和无序区,先在未排序序列中选择一个最小的数 放在(直接交换)排序序列的起始位置。然后再从未排序序列中找到最小元素,放到已排序序列的末尾。以此类推直到排序完毕。直接交换

func selectionSort(arr []int) []int {
 if len(arr) == 0 || len(arr) == 1 {
   return arr
}
 for i := 0; i < len(arr); i ++ {
   min := i
   // 这里要从i开始走完完整的一遍后,才能确定哪个下标对应的元素为最小值
   for j := i; j < len(arr); j ++ {
     if arr[j] < arr[min] {
       min = j
    }
  }
   arr[min], arr[i] = arr[i], arr[min]// 0到i是已排序区间,i后面的是未排序区间
}
}

3.插入排序内排序、稳定

时间复杂度平均情况:T(n) = O(n^2), 最佳情况:T(n) = O(n), 最差情况:T(n) = O(n^2)

空间复杂度O(1),原地排序。

思路构建有序序列,对于未排序序列中的数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插上。在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到O(1)的额外空间的排序),因而在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后挪位,为最新元素提供插入空间。

func insertionSort(arr []int) []int {
 if len(arr) == 0 || len(arr) == 1 {
   return arr
}
 for i := 0; i < len(arr)-1; i ++ {
   cur := arr[i+1]
   pre := i
   for pre >= 0 && cur < arr[pre] {
     arr[pre+1] = arr[pre]
     pre --
  }
   arr[pre+1] = cur
}
 return arr
}

4.希尔排序:也称为缩小增量排序内排序、不稳定。

时间复杂度平均情况:T(n) = O(nlogn), 最佳情况:T(n) = O(nlogn), 最差情况:T(n) = O(nlogn)

空间复杂度O(1),原地排序。

它与插入排序的不同之处在于,它会优先比较距离较远的元素

不稳定是因为,有可能两个4在不同组里,后面的那个4是其所在组中较小的值,就会被放在前面去。

思路:将整个待排序的记录序列按照希尔增量分割成若干个子序列,再分别进行直接插入排序。随着增量逐渐减少,每组包含的关键词越来越多,当增量减至1时,整个文件恰被分成一组,算法便终止。

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func shellSort(arr []int) {
 len := len(arr)
 tmp, gap = len / 2
 for gap > 0 {
   for i := gap; i < len; i ++ {
     tmp = arr[i]
     preIndex = i - gap
     for preIndex >= 0 && arr[preIndex] > tmp {
       arr[preIndex + gap] = arr[preIndex]
       preIndex -= gap
    }
     arr[preIndex+gap] = tmp
  }
   gap /= 2
}
 return arr
}

5.归并排序outplace、稳定

时间复杂度平均情况:T(n) = O(nlogn), 最佳情况:T(n) = O(n), 最差情况:T(n) = O(nlogn)

空间复杂度O(n),非原地排序,需要额外空间,

思路:采用分治法——将已排序的子序列合并,得到完全有序的序列,即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。

步骤:

  • 步骤1:把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列;

  • 步骤2:对这两个子序列分别采用归并排序;

  • 步骤3:将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

func mergeSort(arr []int) []int {
 if len(arr) < 2 {
   return arr
}
 mid := len(arr)/2
 left := arr[:mid+1]
 right := arr[mid+1:]
 return merge(mergeSort(left), mergeSort(right))
}
func merge(left []int, right []int) []int {
 result := make([]int, len(left)+len(right))
 for index, i, j := 0; i < len(result); index ++ {
   if i >= len(left) {
     result[index] = right[j]
    j ++
  } else if j >= len(right) {
     result[index] = right[j]
     i ++
  } else if left[i] > right[j] {
     result[index] = right[j]
     j ++
  } else {
     result[index] == left[i]
     i ++
  }
}
 return result
}

6.快速排序inplace、不稳定。

时间复杂度平均情况:T(n) = O(nlogn), 最佳情况:T(n) = O(n), 最差情况:T(n) = O(nlogn)

空间复杂度O(logn)

基本思想使用分治法把一个串分为两个子串。

先在左边固定一个,然后给一个左指针从他后面的位置开始,右指针从最后位置开始,开始分别往右和往左遍历,当左边遍历到比固定数大的数&&右边遍历到比固定数小的数时,交换左右指针对应的元素位。然后等到左右指针相邻了,就交换固定的数和左指针对应的数。然后继续对下面的区间快排。

就相当于找到每一个元素本该在的位置
各类排序算法整理_第1张图片

 

public class QuickSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 49, 38, 65, 97, 23, 22, 76, 1, 5, 8, 2, 0, -1, 22 };
quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
System.out.println("排序后:");
for (int i : arr) {
System.out.println(i);
}
}
​
public static int[] quickSort(int[] arr, int left, int right) {
        if (left < right) {
            //获取中轴元素所处的位置
            int mid = partition(arr, left, right);
            //进行分割
            arr = quickSort(arr, left, mid - 1);
            arr = quickSort(arr, mid + 1, right);
        }
       return arr;
  }
​
   private static int partition(int[] arr, int left, int right) {
       //选取中轴元素
       int pivot = arr[left];
       int i = left + 1;
       int j = right;
       while (true) {
           // 向右找到第一个小于等于 pivot 的元素位置
           while (i <= j && arr[i] <= pivot) i++;
           // 向左找到第一个大于等于 pivot 的元素位置
           while(i <= j && arr[j] >= pivot ) j--;
           if(i >= j)
               break;
           //交换两个元素的位置,使得左边的元素不大于pivot,右边的不小于pivot
           int temp = arr[i];
           arr[i] = arr[j];
           arr[j] = temp;
      }
       arr[left] = arr[j];
       // 使中轴元素处于有序的位置
       arr[j] = pivot;
       return j;
  }
}

7.堆排序inplace、非稳定排序。

时间复杂度:平均情况:T(n) = O(nlogn), 最佳情况:T(n) = O(nlogn), 最差情况:T(n) = O(nlogn),

空间负责度:O(1),原地排序。

堆排序详解:【算法与数据结构】堆排序是什么鬼?

思路:堆排序就是把堆顶的元素与最后一个元素交换,交换之后破坏了堆的特性,我们再把堆中剩余的元素再次构成一个大顶堆,然后再把堆顶元素与最后第二个元素交换….如此往复下去,等到剩余的元素只有一个的时候,此时的数组就是有序的了。

什么是堆:堆 | JavaGuide

堆的特点就是堆顶的元素是一个最值大顶堆的堆顶是最大值,小顶堆则是最小值。

很多博客说堆是完全二叉树,其实并非如此,堆不一定是完全二叉树,只是为了方便存储和索引,我们通常用完全二叉树的形式来表示堆,事实上,广为人知的斐波那契堆和二项堆就不是完全二叉树,它们甚至都不是二叉树。

public class HeapSort {
  /**
   * 下沉操作,执行删除操作相当于把最后一个元素赋给根元素之后,然后对根元素执行下沉操作.
   * @param arr
   * @param parent 要下沉元素的下标
   * @param length 数组长度
   */
  public static int[] downAdjust(int[] arr, int parent, int length) {
      //临时保证要下沉的元素
      int temp = arr[parent];
      //定位左孩子节点位置
      int child = 2 * parent + 1;
      //开始下沉
      while (child < length) {
          //如果右孩子节点比左孩子小,则定位到右孩子
          if (child + 1 < length && arr[child] > arr[child + 1]) {
              child++;
          }
          //如果父节点比孩子节点小或等于,则下沉结束
          if (temp <= arr[child])
              break;
          //单向赋值
          arr[parent] = arr[child];
          parent = child;
          child = 2 * parent + 1;
      }
      arr[parent] = temp;
      return arr;
  }
​
  //堆排序
  public static int[] heapSort(int[] arr, int length) {
      //构建二叉堆
      for (int i = (length - 2) / 2; i >= 0; i--) {
          arr = downAdjust(arr, i, length);
      }
      //进行堆排序
      for (int i = length - 1; i >= 1; i--) {
          //把堆顶的元素与最后一个元素交换
          int temp = arr[i];
          arr[i] = arr[0];
          arr[0] = temp;
          //下沉调整
          arr = downAdjust(arr, 0, i);
      }
      return arr;
  }
  //测试
  public static void main(String[] args) {
      int[] arr = new int[]{1, 3, 5,2, 0,10,6};
      System.out.println(Arrays.toString(arr));
      arr = heapSort(arr, arr.length);
      System.out.println(Arrays.toString(arr));
  }
}

8.计数排序:适合于最大值和最小值的差值不是很大的排序。

1、时间复杂度:O(n+k) 2、空间复杂度:O(k) 3、稳定排序 4、非原地排序

思路:使用一个额外的数组C,其中第i个元素是待排序数组A中值等于i的元素的个数。然后根据数组C来将A中的元素排到正确的位置。它只能对整数进行排序。

时间复杂度:最佳情况:T(n) = O(n+k), 最差情况:T(n) = O(n+k), 平均情况:T(n) = O(n+k)

9.桶排序:

1、时间复杂度:O(n+k) 2、空间复杂度:O(n+k) 3、稳定排序 4、非原地排序

思路:是计数排序的升级版,利用了函数的映射关系,高效与否取决于映射函数的确定

时间复杂度:最佳情况:T(n) = O(n+k), 最差情况:T(n) = O(n+k), 平均情况:T(n) = O(n^2)

10.基数排序:

1、时间复杂度:O(kn) 2、空间复杂度:O(n+k) 3、稳定排序 4、非原地排序

时间复杂度:最佳情况:T(n) = O(n+k), 最差情况:T(n) = O(n+k), 平均情况:T(n) = O(n+k)

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