数据结构与算法之快速排序

快速排序概念

快速排序（Quick Sort），又称划分交换排序（partition-exchange sort），通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。

排序步骤：

• 1、 从数列中挑出一个元素，称为"基准"（pivot），通常选择第一个元素
• 2、重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区结束之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作。
• 3、递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。

递归的最底部情形，是数列的大小是零或一，也就是永远都已经被排序好了。虽然一直递归下去，但是这个算法总会结束，因为在每次的迭代（iteration）中，它至少会把一个元素摆到它最后的位置去。

动图展示：

• 动图1

• 动图2：

静图分析：

代码实现

import java.util.Arrays;

public class QuickSort {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {30, 40, 60, 10, 20, 50};
        quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
//        [20, 10, 30, 60, 40, 50]
//        [10, 20, 30, 60, 40, 50]
//        [10, 20, 30, 60, 40, 50]
//        [10, 20, 30, 50, 40, 60]
//        [10, 20, 30, 40, 50, 60]
//        [10, 20, 30, 40, 50, 60]
    }

    //快速排序
    public static void quickSort(int[] arr, int start, int end) {
        //递归结束的标记
        if (start < end) {
            //把数组中第0个数字作为标准数
            int stard = arr[start];
            //记录需要排序的下标
            int low = start;
            int high = end;
            //循环找比标准数大的数和标准数小的数
            while (low < high) {
                //如果右边数字比标准数大，下标向前移
                while (low < high && arr[high] >= stard) {
                    high--;
                }
                //右边数字比标准数小，使用右边的数替换左边的数
                arr[low] = arr[high];
                //如果左边数字比标准数小
                while (low < high && arr[low] <= stard) {
                    low++;
                }
                //左边数字比标准数大，使用左边的数替换右边的数
                arr[high] = arr[low];
            }
            //把标准数赋给低所在的位置的元素
            arr[low] = stard;
            //打印每次排序后的结果
            System.out.println(Arrays.toString(arr));

            //递归处理所有标准数左边的数字（含标准数）
            quickSort(arr, start, low);
            //递归处理所有标准数右边的数字
            quickSort(arr, low + 1, end);
        }
    }
}

时间复杂度

• 最优时间复杂度：O(nlogn)
• 最坏时间复杂度：O(n^2)
• 稳定性：不稳定

从一开始快速排序平均需要花费O(n log n)时间的描述并不明显。但是不难观察到的是分区运算，数组的元素都会在每次循环中走访过一次，使用O(n)的时间。在使用结合（concatenation）的版本中，这项运算也是O(n)。

在最好的情况，每次我们运行一次分区，我们会把一个数列分为两个几近相等的片段。这个意思就是每次递归调用处理一半大小的数列。因此，在到达大小为一的数列前，我们只要作log n次嵌套的调用。这个意思就是调用树的深度是O(log n)。但是在同一层次结构的两个程序调用中，不会处理到原来数列的相同部分；因此，程序调用的每一层次结构总共全部仅需要O(n)的时间（每个调用有某些共同的额外耗费，但是因为在每一层次结构仅仅只有O(n)个调用，这些被归纳在O(n)系数中）。结果是这个算法仅需使用O(n log n)时间。