快速排序算法动图演示及解析2021版（附Java代码实现）

1、快速排序算法实现方式

快速排序的核心思想是分治法，分而治之。它的实现方式是每次从序列中选出一个基准值，其他数依次和基准值做比较，比基准值大的放右边，比基准值小的放左边，然后再对左边和右边的两组数分别选出一个基准值，进行同样的比较移动，重复步骤，直到最后都变成单个元素，整个数组就成了有序的序列。

简单概括如下：

• 从数列中挑出一个元素，称为 “基准”（pivot）;

• 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）。在这个分区退出之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作；

• 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；

2、快速排序算法动画演示

3、图解快速排序算法

我们以[ 8，2，5，0，7，4，6，1 ]这组数字为例来进行演示

首先，我们随机选择一个基准值：

与其他元素依次比较，大的放右边，小的放左边：

然后我们以同样的方式排左边的数据：

继续排 0 和 1 ：

由于只剩下一个数，所以就不用排了，现在的数组序列是下图这个样子：

右边以同样的操作进行，即可排序完成。

4、快速排序算法Java代码实现

 1//Java 代码实现
 2public class QuickSort implements IArraySort {
 3
 4    @Override
 5    public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception {
 6        // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容
 7        int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length);
 8
 9        return quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
10    }
11
12    private int[] quickSort(int[] arr, int left, int right) {
13        if (left < right) {
14            int partitionIndex = partition(arr, left, right);
15            quickSort(arr, left, partitionIndex - 1);
16            quickSort(arr, partitionIndex + 1, right);
17        }
18        return arr;
19    }
20
21    private int partition(int[] arr, int left, int right) {
22        // 设定基准值（pivot）
23        int pivot = left;
24        int index = pivot + 1;
25        for (int i = index; i <= right; i++) {
26            if (arr[i] < arr[pivot]) {
27                swap(arr, i, index);
28                index++;
29            }
30        }
31        swap(arr, pivot, index - 1);
32        return index - 1;
33    }
34
35    private void swap(int[] arr, int i, int j) {
36        int temp = arr[i];
37        arr[i] = arr[j];
38        arr[j] = temp;
39    }
40
41}

5、单边扫描

快速排序的关键之处在于切分，切分的同时要进行比较和移动，这里介绍一种叫做单边扫描的做法。

我们随意抽取一个数作为基准值，同时设定一个标记 mark 代表左边序列最右侧的下标位置，当然初始为 0 ，接下来遍历数组，如果元素大于基准值，无操作，继续遍历，如果元素小于基准值，则把 mark + 1 ，再将 mark 所在位置的元素和遍历到的元素交换位置，mark 这个位置存储的是比基准值小的数据，当遍历结束后，将基准值与 mark 所在元素交换位置即可。

代码实现：

public static void sort(int[] arr) {
    sort(arr， 0， arr.length - 1);
}

private static void sort(int[] arr， int startIndex， int endIndex) {
    if (endIndex <= startIndex) {
        return;
    }
    //切分
    int pivotIndex = partitionV2(arr， startIndex， endIndex);
    sort(arr， startIndex， pivotIndex-1);
    sort(arr， pivotIndex+1， endIndex);
}

private static int partition(int[] arr， int startIndex， int endIndex) {
    int pivot = arr[startIndex];//取基准值
    int mark = startIndex;//Mark初始化为起始下标

    for(int i=startIndex+1; i<=endIndex; i++){
        if(arr[i]

6、双边扫描

另外还有一种双边扫描的做法，看起来比较直观：我们随意抽取一个数作为基准值，然后从数组左右两边进行扫描，先从左往右找到一个大于基准值的元素，将下标指针记录下来，然后转到从右往左扫描，找到一个小于基准值的元素，交换这两个元素的位置，重复步骤，直到左右两个指针相遇，再将基准值与左侧最右边的元素交换。

我们来看一下实现代码，不同之处只有 partition 方法：

public static void sort(int[] arr) {
    sort(arr， 0， arr.length - 1);
}

private static void sort(int[] arr， int startIndex， int endIndex) {
    if (endIndex <= startIndex) {
        return;
    }
    //切分
    int pivotIndex = partition(arr， startIndex， endIndex);
    sort(arr， startIndex， pivotIndex-1);
    sort(arr， pivotIndex+1， endIndex);
}


private static int partition(int[] arr， int startIndex， int endIndex) {
    int left = startIndex;
    int right = endIndex;
    int pivot = arr[startIndex];//取第一个元素为基准值

    while (true) {
        //从左往右扫描
        while (arr[left] <= pivot) {
            left++;
            if (left == right) {
                break;
            }
        }

        //从右往左扫描
        while (pivot < arr[right]) {
            right--;
            if (left == right) {
                break;
            }
        }

        //左右指针相遇
        if (left >= right) {
            break;
        }

        //交换左右数据
        int temp = arr[left];
        arr[left] = arr[right];
        arr[right] = temp;
    }

    //将基准值插入序列
    int temp = arr[startIndex];
    arr[startIndex] = arr[right];
    arr[right] = temp;
    return right;
}

7、极端情况

快速排序的时间复杂度和归并排序一样，O(n log n)，但这是建立在每次切分都能把数组一刀切两半差不多大的前提下，如果出现极端情况，比如排一个有序的序列，如[ 9，8，7，6，5，4，3，2，1 ]，选取基准值 9 ，那么需要切分 n - 1 次才能完成整个快速排序的过程，这种情况下，时间复杂度就退化成了 O(n2)，当然极端情况出现的概率也是比较低的。

所以说，快速排序的时间复杂度是 O(nlogn)，极端情况下会退化成 O(n2)，为了避免极端情况的发生，选取基准值应该做到随机选取，或者是打乱一下数组再选取。

另外，快速排序的空间复杂度为 O(1)。

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