图解并用 C 语言实现非比较排序（计数排序、桶排序和基数排序）

目录

一、计数排序

二、桶排序

三、基数排序

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一、计数排序

算法步骤：

1. 找出待排序数组 arr 中的最小值和最大值（分别用 min 和 max 表示）。

2. 创建一个长度为 max - min + 1、元素初始值全为 0 的计数器数组 count。

3. 扫描一遍原始数组，将 arr[i] - min 作为下标，并将该下标的计数器增 1。

4. 扫描一遍计数器数组，按顺序把值收集起来。

void CountSort(int* arr, int n)
{
    // 找出待排序数组中的最小值和最大值
    int min = arr[0];
    int max = arr[0];
    for (int i = 1; i < n; ++i)
    {
        if (arr[i] < min)
        {
            min = arr[i];
        }
        if (arr[i] > max)
        {
            max = arr[i];
        }
    }
    // 创建一个长度为 max - min + 1，元素初始值全为 0 的计数器数组
    int* count = (int*)calloc(max - min + 1, sizeof(int));
    if (NULL == count)
    {
        perror("malloc failed!");
        return;
    }
    // 扫描原始数组
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        count[arr[i] - min]++;
    }
    // 扫描计数器数组
    int k = 0;
    for (int i = 0; i < max - min + 1; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < count[i]; ++j)
        {
            arr[k++] = i + min;
        }
    }
}

计数排序适合范围集中，且范围不大的整型数组。

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二、桶排序

桶排序（Bucket Sort）或所谓的箱排序，其工作原理是：假设输入数据服从均匀分布，将数据分到有限数量的桶里，然后对每个桶分别排序，最后把桶的数据合并。

桶排序的时间复杂度，取决于各个桶之间数据进行排序的时间复杂度，因为其他部分的时间复杂度都为 O(n)。很显然，桶划分地越小，各个桶之间的数据越少，排序所用的时间也会越少，但相应的空间消耗会增加。

void BucketSort(int* arr, int n)
{
    int bucket[5][5] = { 0 };  // 分配 5 个桶，每个桶最多放 5 个元素
    int bucketCount[5] = { 0 };  // 这 5 个桶的计数器的计数器
    // 将数据放入桶中
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        bucket[arr[i] / 10][bucketCount[arr[i] / 10]++] = arr[i];
    }
    // 对每个桶进行排序
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        QuickSort(bucket[i], bucketCount[i]);
    }
    // 把每个桶中的数据填充到数组中
    int k = 0;
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < bucketCount[i]; ++j)
        {
            arr[k++] = bucket[i][j];
        }
    }
}

在现实世界中，大部分的数据分布是均匀的，或者在设计的时候可以让它均匀分布，或者说可以转换为均匀地分布。当数据均匀地分布，桶排序的效率就能发挥出来。

理解桶思想可以设计出高效的算法。

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三、基数排序

基数排序（Radix Sort）是一种借助多关键排序的思想对单逻辑关键字进行排序的方法。

void DistrAndCollect(int* arr, int n, int exp)
{
    Queue q[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        QueueInit(&q[i]);
    }
    // 分配
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        int j = (arr[i] / exp) % 10;
        QueuePush(&q[j], arr[i]);  // 将 arr[i] 分配到下标为 j 的队列(桶)中
    }
    // 收集
    int j = 0;
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        while (!QueueEmpty(&q[i]))
        {
            arr[j++] = QueueFront(&q[i]);
            QueuePop(&q[i]);
        }
    }
}
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void RadixSort(int* arr, int n)
{
    // 找出待排序数组中的最大值
    int max = arr[0];
    for (int i = 1; i < n; ++i)
    {
        if (arr[i] > max)
        {
            max = arr[i];
        }
    }
    // 分配和收集
    for (int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10)
    {
        // exp 表示排序指数，
        // 当 exp 为 1 时，表示按个位分配，
        // 当 exp 为 10 时，表示按十位分配，依次类推。
        DistrAndCollect(arr, n, exp);
    }
}

 

void DistrAndCollect(int* arr, int n, int exp)
{
    int bucket[10] = { 0 };  // 初始化 10 个桶
    int* result = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
    if (NULL == result)
    {
        perror("malloc failed!");
        return;
    }
    // 分配
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        bucket[(arr[i] / exp) % 10]++;
    }
    for (int i = 1; i < 10; ++i)
    {
        bucket[i] = bucket[i] + bucket[i - 1];
    }
    // 收集
    for (int i = n - 1; i >= 0; --i)  // 从后向前遍历数组 arr
    {
        int j = (arr[i] / exp) % 10;
        result[bucket[j] - 1] = arr[i];
        bucket[j]--;
    }
    memmove(arr, result, sizeof(int) * n);
}
​
void RadixSort(int* arr, int n)
{
    // 找出待排序数组中的最大值
    int max = arr[0];
    for (int i = 1; i < n; ++i)
    {
        if (arr[i] > max)
        {
            max = arr[i];
        }
    }
    // 分配和收集
    for (int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10)
    {
        // exp 表示分配指数，
        // 当 exp 为 1 时，表示按个位分配，
        // 当 exp 为 10 时，表示按十位分配，依次类推。
        DistrAndCollect(arr, n, exp);
    }
}

基数排序的其他应用，例如超女选秀活动，如果要把超女的出生日期排序：

1. 年：1990 ~ 2005（15 个桶）

2. 月：1 ~ 12（12 个桶）

3. 日：1 ~ 31（31 个桶）

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