数据结构与算法之美学习笔记：14 | 排序优化：如何实现一个通用的、高性能的排序函数？

前言

本节课程思维导图：

几乎所有的编程语言都会提供排序函数，比如 C 语言中 qsort()，C++ STL 中的 sort()、stable_sort()，还有 Java 语言中的 Collections.sort()。那你知道这些排序函数是如何实现的吗？底层都利用了哪种排序算法呢？
抛出问题：如何实现一个通用的、高性能的排序函数？

如何选择合适的排序算法？

我们先回顾一下前面讲过的几种排序算法。

我们前面讲过，线性排序算法的时间复杂度比较低，适用场景比较特殊。所以如果要写一个通用的排序函数，不能选择线性排序算法。
如果对小规模数据进行排序，可以选择时间复杂度是 O(n2) 的算法；如果对大规模数据进行排序，时间复杂度是 O(nlogn) 的算法更加高效。所以，为了兼顾任意规模数据的排序，一般都会首选时间复杂度是 O(nlogn) 的排序算法来实现排序函数。

时间复杂度是 O(nlogn) 的排序算法不止一个，我们已经讲过的有归并排序、快速排序，后面讲堆的时候我们还会讲到堆排序。堆排序和快速排序都有比较多的应用，比如 Java 语言采用堆排序实现排序函数，C 语言使用快速排序实现排序函数。归并排序的情况其实并不多，因为归并排序并不是原地排序算法，空间复杂度是 O(n)。
前面我们讲到，快速排序比较适合来实现排序函数，但是，我们也知道，快速排序在最坏情况下的时间复杂度是 O(n2)，如何来解决这个“复杂度恶化”的问题呢？

如何优化快速排序？

如果数据原来就是有序的或者接近有序的，每次分区点都选择最后一个数据，那快速排序算法就会变得非常糟糕，时间复杂度就会退化为 O(n2)。实际上，这种 O(n2) 时间复杂度出现的主要原因还是因为我们分区点选得不够合理。
最理想的分区点是：被分区点分开的两个分区中，数据的数量差不多。
我这里介绍两个比较常用、比较简单的分区算法。

1. 三数取中法
   我们从区间的首、尾、中间，分别取出一个数，然后对比大小，取这 3 个数的中间值作为分区点。这样每间隔某个固定的长度，取数据出来比较，将中间值作为分区点的分区算法，肯定要比单纯取某一个数据更好。但是，如果要排序的数组比较大，那“三数取中”可能就不够了，可能要“五数取中”或者“十数取中”。
2. 随机法
   随机法就是每次从要排序的区间中，随机选择一个元素作为分区点。这种方法并不能保证每次分区点都选的比较好，但是从概率的角度来看，也不大可能会出现每次分区点都选得很差的情况，所以平均情况下，这样选的分区点是比较好的。时间复杂度退化为最糟糕的 O(n2) 的情况，出现的可能性不大。

快速排序是用递归来实现的。递归要警惕堆栈溢出。为了避免快速排序里，递归过深而堆栈过小，导致堆栈溢出，我们有两种解决办法：第一种是限制递归深度。一旦递归过深，超过了我们事先设定的阈值，就停止递归。第二种是通过在堆上模拟实现一个函数调用栈，手动模拟递归压栈、出栈的过程，这样就没有了系统栈大小的限制。

举例分析排序函数

我拿 Glibc 中的 qsort() 函数举例说明一下。

对于小数据量时，qsort() 会优先使用归并排序来排序输入数据；要排序的数据量比较大的时候，qsort() 会改为用快速排序算法来排序；
qsort() 选择分区点的方法就是“三数取中法”。递归太深会导致堆栈溢出的问题，qsort() 是通过自己实现一个堆上的栈，手动模拟递归来解决的。实际上，qsort() 并不仅仅用到了归并排序和快速排序，它还用到了插入排序。在快速排序的过程中，当要排序的区间中，元素的个数小于等于 4 时，qsort() 就退化为插入排序。

在小规模数据面前，O(n2) 时间复杂度的算法并不一定比 O(nlogn) 的算法执行时间长。我们在讲复杂度分析的时候讲过，算法的性能可以通过时间复杂度来分析，但是，这种复杂度分析是比较偏理论的，如果我们深究的话，实际上时间复杂度并不等于代码实际的运行时间。时间复杂度代表的是一个增长趋势，如果画成增长曲线图，你会发现 O(n2) 比 O(nlogn) 要陡峭，也就是说增长趋势要更猛一些。但是，我们前面讲过，在大 O 复杂度表示法中，我们会省略低阶、系数和常数，也就是说，O(nlogn) 在没有省略低阶、系数、常数之前可能是 O(knlogn + c)，而且 k 和 c 有可能还是一个比较大的数。