【数据结构】七大排序算法（超详细）
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一名在校大学生，正在努力学习Java语言编程。穷且意坚，不坠青云之志，希望能在编程的世界里找到属于自己的光。
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目录
一.排序算法简介
1.内部排序
2.外部排序
二.排序算法的分类
三.七大排序算法的实现
1.冒泡排序（交换排序之一）
2.快速排序（交换排序之一）
3.直接选择排序（选择排序之一）
4.堆排序（选择排序之一）
5.直接插入排序（插入排序之一）
6.希尔排序（插入排序之一）
7.归并排序
一.排序算法简介
排序的定义：
排序就是将一组无序的数据排序成有序的序列的操作。
排序分类：
1.内部排序
内部排序是指待排序序列全部存放在内存中的进行的排序过程。这种方法适用于数量不大的数据元素的排序。
2.外部排序
外部排序是指需要排序的数据非常的多，它们必须存储在外部的存储器上，这种排序的过程需要访问外部存储器，这种排序就是外部排序。
排序的稳定性
概念：
对于一组数据元素序列，使用某种排序算法对它进行排序，若相同数据之间的前后位置排序后和未排序之前是相同的，我们就称这种排序算法是具有稳定性的。
比如 关键字序列：
1，5a，3，7，5b，9，12
这个序列中有两个5，我们将第一个数字记成5a，第二个5记为5b,若排序后：
1，3，5a，5b，7，9，12
5a还是在5b之前，相对位置不变，称排序所用的算法具有稳定性
若排序后：
1，3，5b，5a，7，9，12
5b变到了5a之前，相对位置发生变化，则称排序的算法不具有稳定性。
二.排序算法的分类
常见的七大基于比较的排序算法一共有七种，分别是，冒泡排序
直接选择排序，希尔排序，快速排序，堆排序，直接插入排序，归并排序。
分类示意图：
根据它们的特性这七种算法又被分成了四类
1.选择排序：直接选择排序，堆排序
2.插入排序：直接插入排序，希尔排序
3.交换排序：冒泡排序，快速排序
4.归并排序：归并排序
三.七大排序算法的实现
1.冒泡排序（交换排序之一）
示意图：
原理：
在无序区间中，将两两相邻的元素进行比较，每一轮比较出最大的一个元素，交换到有序区间。
步骤：
1.冒泡排序的主要思想是两两比较，因此先确定要比较多少次，因为前面经过比较只剩最后一个元素的时候，最后一个元素必定已经有序，因此，如果有n个元素，只需要比较n-1次。
2.进行两两比较的过程，从第一个元素开始，把它与它两两相邻的元素比较，把大的换到右边，一直比较，直到把数组里最大的元素换到最右边，因为只需要比较到倒数第二个元素的时候，它与倒数第一个元素比较已经可以换到最右边，因此下标只需要到数组的倒数第二个就行。
实现：
import java.util.Arrays;
public class BubbleSort {
//实现数组内两元素交换
public static void swap(int[]array,int i,int j){
int temp=array[i];
array[i]=array[j];
array[j]=temp;
}
//冒泡排序
public static void bubbleSort(int[]array){
int size=array.length;
//一开始控制进行两两比较的次数，最后一轮必定有序，所有比较次数为size-1次
for(int i=0;iarray[j+1]){
swap(array,j,j+1);
//若发生交换则说明已经还未有序
sort=false;
}
}
if(sort==true){
//一轮比较后未发生交换，说明已经有序
return ;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[]arr={1,3,5,0,8,2,6};
bubbleSort(arr);
System.out.println("冒泡排序："+Arrays.toString(arr));
}
}
执行结果：
2.快速排序（交换排序之一）
示意图：
原理：
从待排序的区间取一个基准值，比基准值大的放到基准值的右边，比基准值小的放到基准值的左边，对于左右两边，再次充分这样的步骤。
快速排序是冒泡排序的改进算法，它采用了分治的思想，将原问题划分为若干个规模更小的子问题，子问题的依旧与原问题是相似的，递归解决所有的子问题，也就解决了原问题。
步骤：
1.从待排序区间取一个数作为基准值
2.遍历待排序区间，把所有比基准值小的数放到基准值的左边，比基准值大的放到基准值的右边，这个过程使用专业的术语叫做parttion.
3.对于基准值的左右两边重复以上过程，直到整个序列变得有序。
实现：
import java.util.Arrays;
public class QuickSort {
public static void swap(int[]arr,int i,int j) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
private static void quickSort(int[]arr){
quickSortRange(arr,0,arr.length-1);
}
private static void quickSortRange(int[]arr,int formIndex,int toIndex){
//求出要求数组区间的元素个数
int size=toIndex-formIndex+1;
if(size<=1){
return;
}
int pivotIdx=partition(arr,formIndex,toIndex);
quickSortRange(arr,formIndex,pivotIdx-1);
quickSortRange(arr,pivotIdx+1,toIndex);
}
//partition Hoare法
private static int partition(int[]arr,int formIndex,int toIndex){
int lefIdx=formIndex;
int rigIdx=toIndex;
int pivot=arr[toIndex];
while(rigIdx>lefIdx){
while(rigIdx>lefIdx&&arr[lefIdx]<=pivot){
lefIdx++;
}
//此循环结束说明找到了大于基准值的元素
while(rigIdx>lefIdx&&arr[rigIdx]>=pivot){
rigIdx--;
}
//此循环结束说明找到了小于基准值的元素
swap(arr,lefIdx,rigIdx);
}
swap(arr,lefIdx,toIndex);
return lefIdx;
}
//检测：
public static void main(String[] args) {
int[]arr={1,5,2,4,8,3,7,10};
quickSort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}运行结果：
3.直接选择排序（选择排序之一）
示意图：
原理：
每一次从无序区间选出最大（或者最小）的元素，放在有序区间的最后（或者无序区间的最前），直到所有的元素有序。
步骤：（此步骤针对无序区间在前，有序区间在后）
1.找到到无序区间的最大值元素的下标
2.将无序区间最大值元素的下标交换到有序区间的最后一个
3.重复此过程，直到数组有序
实现：
import java.util.Arrays;
public class SelectSort {
private static void swap(int[]arr,int i,int j){
int temp=arr[i];
arr[i]=arr[j];
arr[j]=temp;
}
//直接选择排序（无序区间在前，有序区间在后的写法）
public static void selectSort(int[]arr,int size) {
//外层需要选择size-1次
for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
//无序区间 [0,size-i)
//有序区间 [size-i,size)
//要找到一个最大值下标，可以先假设最大值下标，再拿其他与它比较
int maxIdx = 0;
//遍历整个无序区间
int j=0;//已经取了第一个元素为最大
//遍历时从第二个元素开始遍历
for( j=1;jarr[j]){
minIdx=j;
}
}
//找到无序区间的最小值以后，交换到无序区间的第一个元素
swap(arr,minIdx,i);
}
}
//直接选择排序（左边为有序区间，中间为无序区间，右边为无序区间）
//每次找出最大与最小，最大往右边有序区间移，最小往左边有序区间移
public static void selectSort3(int[]arr,int size){
}
//简单测试：
public static void main(String[] args) {
int[]arr={9,8,5,9,2,3,4};
selectSort2(arr, arr.length);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
} 简单测试结果：
4.堆排序（选择排序之一）
示意图：
原理：
堆排序也是选择排序中的一种，找到无序区间中的最大值（或者最小值），将它交换到有序区间的最后（或者无序区间的最前）。与直接选择排序最大的不同在于，它不在使用遍历的方式来寻找无序区间的最大值（或最小值），而是通过创建堆的方式来创建最大值（或者最小值）。
步骤：
1.创建堆，要创建堆，先实现向下调整。
2.创建堆以后，堆顶元素就是最大值，找到了最大值就将它交换到最后，放到无序区间的最后
3.放到无序区间最后以后，再从堆顶进行向下调整，调整长度减掉有序区间的长度
实现：
import java.util.Arrays;
public class HeapSort{
// 堆排序
public static void heapSort(int[] array){
createHeap(array);
for(int i=0;i=0;i--){
//创建最大堆
shiftDown2(array,array.length,i);
}
}
//最大堆向下调整
public static void shiftDown2(int[]array,int size,int index){
while(true){
int leftIdx=2*index+1;
if(leftIdx>=size){
return;
}
int maxIdx=leftIdx;
if(leftIdx+1array[leftIdx]){
maxIdx=leftIdx+1;
}
if(array[maxIdx]<=array[index]){
return ;
}
swap(array,maxIdx,index);
index=maxIdx;
}
}
public static void main (String[]args){
//简单测试
int[] arr2 = {27, 15, 19, 18, 28, 34, 65, 49, 25, 37};
shiftDown(arr2, 0,arr2.length);
System.out.println("向下调整："+Arrays.toString(arr2));
int[]arr3={8,4,6,5,1,3};
createHeap(arr3);
System.out.println("创建堆："+Arrays.toString(arr3));
int[]arr4={1,0,9,55,4,5,8,3};
heapSort(arr4);
System.out.println("堆排序"+Arrays.toString(arr4));
}
} 简单测试结果:
5.直接插入排序（插入排序之一）
示意图
原理：
每次在无序区间选择无序区间的第一个元素，在有序区间找到合理的位置插入。可以将它想象成平时打牌我们对于扑克牌的排序。
步骤：
1.遍历整个无序区间，循环选择无序区间的第一个元素
2.在有序区间找到合适的位置，进行插入即可。（在插入时，要提前把不合适的位置往后搬）
实现：
import java.util.Arrays;
//插入排序
public class InsertSort {
//对数组全部做插入排序
public static void insertSort(int[]arr,int size){
//一开始认为第一个数已经有序
for(int i=1;i=0&&key=arr[j]找到了合适的插入位置
//找到key>=arr[j]后，插入到arr[j]的后面就是arr[j+1]位置
arr[j+1]=key;
}
}
//对指定范围做插入排序
public static void insertSort2(int[]arr,int formIndex,int toIndex){
int n=toIndex-formIndex;
for(int i=1;i=formIndex&&key 简单测试结果：
6.希尔排序（插入排序之一）
原理：
希尔排序还叫做缩小增量排序。它开始先选定一个增量gap，把间隔为增量gap的数分为一组，对每个组内进行插入排序。一次排序完成后，缩小增量，再次分组，再次对每个组内进行插入排序。当增量gap==1，说明数组已经有序。
步骤：
1.确定增量，根据增量进行分组。
2.对每组内元素进行插入排序。
3.完成上两步后缩小增量，再次循环进行
4.当增量==1，数组有序，排序结束
import java.util.Arrays;
public class ShellSort {
//希尔排序
private static void shellSort(int[]arr){
//假设有10个元素就分5组
int group= arr.length/2;
//分组后循环对每个组内的元素进行插入排序
while(true){
insertSortWithGroup(arr,group);
if(group==1){
//如果只剩一组说明已经有序
return;
}
//每次排序后再分组
group=group/2;
}
}
//希尔排序分组后对每一组的插入排序方法
private static void insertSortWithGroup(int[]arr,int group){
for(int i=group;i< arr.length;i++){
int key=arr[i];
int j=i-group;
for( j=i-group;j>=0&&key简单测试结果：
7.归并排序
示意图：
原理：
归并排序的原理是原序列先分割成一个一个的小的子序列，先使每个子序列有序，再将子序列合并，得到一个完整的有序序列，这就是归并排序。
（我这里采用二路归并）步骤：
1.先将原来的无序序列分割成若干个子序列，当分割到一个序列里只有一个元素时说明分割完毕。
2.再将分割后的子序列不断归并，归并的原理是合并两个有序的子序列，一直归并，直到归并得到一个完整的序列。
实现：
import java.util.Arrays;
public class MergeSort {
public static void mergeSort(int[] array){
mergeSortFunc1(array,0,array.length-1);
}
public static void mergeSortFunc1(int[]array,int left,int right){
//开始先分割
if(left>=right){
return ;
}
int mid=(left+right)/2;
//递归左区间和递归右区间分割
mergeSortFunc1(array,left,mid);
mergeSortFunc1(array,mid+1,right);
//分割后合并
merge(array,left,mid,right);
}
// 合并原理：合并两个有序数组
public static void merge(int[]array,int start,int mid,int end){
//先分别找出两个数组中第一个更小的元素，将更小的元素搬到
//额外空间
int[] extra=new int[end-start+1];
int i=start;
int j=mid+1;
int k=0;
//两个数组都还有元素时
while(i<=mid&&j<=end){
if(array[i]<=array[j]){
extra[k++]=array[i++];
}else {
extra[k++] = array[j++];
}
}
//当有一个数组已经搬完时，需要判断哪个数组搬完了
while(i<=mid){
//把没有搬完的数组全部搬到额外数组
extra[k++]=array[i++];
}
while(j<=end){
//把没有搬完的数组全部搬到额外数组
extra[k++]=array[j++];
}
//全部搬到额外空间时，再搬回原数组
for(int n=0;n简单测试结果：
以上就是7种常见的排序算法，对于排序算法，必须需要掌握它们的基本原理，只有知道了它们的基本原理，我们才能够根据原理写出对应的实现代码。