【算法与数据结构】Java实现查找与排序
文章目录
- 第一部分：查找算法
-
- 二分查找
- 插值查找
- 分块查找
- 哈希查找
- 树表查找
- 第二部分：排序算法
-
- 冒泡排序
- 选择排序
- 插入排序
- 快速排序
- 总结
第一部分：查找算法
二分查找
也叫做折半查找，属于有序查找算法。
前提条件：数组数据必须有序，从小到大，或者从大到小都是可以的。
如果是无序的，也可以先进行排序。
但是排序之后，会改变原有数据的顺序，查找出来元素位置跟原来的元素可能是不一样的，所以排序之后再查找只能判断当前数据是否在容器当中，返回的索引无实际的意义。
基本思想：用给定值先与中间结点比较。
比较完之后有三种情况：
- 相等 ：说明找到了
- 要查找的数据比中间节点小 ： 说明要查找的数字在中间节点左边
- 要查找的数据比中间节点大： 说明要查找的数字在中间节点右边
public static void main(String[] args) {
//二分查找/折半查找
//核心：
//每次排除一半的查找范围
//需求：定义一个方法利用二分查找，查询某个元素在数组中的索引
//数据如下：{7, 23, 79, 81, 103, 127, 131, 147}
int[] arr = {7, 23, 79, 81, 103, 127, 131, 147};
System.out.println(binarySearch(arr, 150));
}
public static int binarySearch(int[] arr, int number){
//1.定义两个变量记录要查找的范围
int min = 0;
int max = arr.length - 1;
//2.利用循环不断的去找要查找的数据
while(true){
if(min > max){
return -1;
}
//3.找到min和max的中间位置
int mid = (min + max) / 2;
//4.拿着mid指向的元素跟要查找的元素进行比较
if(arr[mid] > number){
//4.1 number在mid的左边
//min不变，max = mid - 1；
max = mid - 1;
}else if(arr[mid] < number){
//4.2 number在mid的右边
//max不变，min = mid + 1;
min = mid + 1;
}else{
//4.3 number跟mid指向的元素一样
//找到了
return mid;
}
}
}
插值查找
插值：是在二分查找的基础上，让中间的mid点，尽可能靠近想要查找的元素。
修改mid公式即可！
private static int binarySearch2(int[] arr, int num) {
int min = 0;
int max = arr.length - 1;
while (true) {
if (min > max) {
return -1;
}
int mid = min + (num - arr[min]) / (arr[max] - arr[min]) * (max - min);//这里改公式
if (num > arr[mid]) {
min = mid + 1;
} else if (num < arr[mid]) {
max = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
}
细节：
对于表长较大，而关键字分布又比较均匀的查找表来说，插值查找算法的平均性能比折半查找要好的多。
反之，数组中如果分布非常不均匀，那可以选折半二分
分块查找
当数据表中的数据元素很多时，可以采用分块查找。
汲取了顺序查找和折半查找各自的优点，既有动态结构，又适于快速查找
分块查找适用于数据较多，但是数据不会发生变化的情况，如果需要一边添加一边查找，建议使用哈希查找
分块查找的过程：
- 需要把数据分成N多小块，块与块之间不能有数据重复的交集。
- 给每一块创建对象单独存储到数组当中
- 查找数据的时候，先在数组查，当前数据属于哪一块
- 再到这一块中顺序查找
public class BlockSearchDemo {
public static void main(String[] args) {
/*
分块查找
核心思想：
块内无序，块间有序
实现步骤：
1.创建数组blockArr存放每一个块对象的信息
2.先查找blockArr确定要查找的数据属于哪一块
3.再单独遍历这一块数据即可
*/
int[] arr = {16, 5, 9, 12,21, 18,
32, 23, 37, 26, 45, 34,
50, 48, 61, 52, 73, 66};
//创建三个块的对象
Block b1 = new Block(21,0,5);
Block b2 = new Block(45,6,11);
Block b3 = new Block(73,12,17);
//定义数组用来管理三个块的对象（索引表）
Block[] blockArr = {b1,b2,b3};
//定义一个变量用来记录要查找的元素
int number = 37;
//调用方法，传递索引表，数组，要查找的元素
int index = getIndex(blockArr,arr,number);
//打印一下
System.out.println(index);
}
//利用分块查找的原理，查询number的索引
private static int getIndex(Block[] blockArr, int[] arr, int number) {
//1.确定number是在那一块当中
int indexBlock = findIndexBlock(blockArr, number);
if(indexBlock == -1){
//表示number不在数组当中
return -1;
}
//2.获取这一块的起始索引和结束索引 --- 30
// Block b1 = new Block(21,0,5); ---- 0
// Block b2 = new Block(45,6,11); ---- 1
// Block b3 = new Block(73,12,17); ---- 2
int startIndex = blockArr[indexBlock].getStartIndex();
int endIndex = blockArr[indexBlock].getEndIndex();
//3.遍历
for (int i = startIndex; i <= endIndex; i++) {
if(arr[i] == number){
return i;
}
}
return -1;
}
//定义一个方法，用来确定number在哪一块当中
public static int findIndexBlock(Block[] blockArr,int number){ //100
//从0索引开始遍历blockArr，如果number小于max，那么就表示number是在这一块当中的
for (int i = 0; i < blockArr.length; i++) {
if(number <= blockArr[i].getMax()){
return i;
}
}
return -1;
}
}
class Block{
private int max;//最大值
private int startIndex;//起始索引
private int endIndex;//结束索引
//省略 构造 属性 等 JavaBean
}
哈希查找
树表查找
第二部分：排序算法
冒泡排序
Bubble Sort：
数值之间 两两比较 找到最大的数 放到最后
第二轮开始以此类推 ：从0-倒数第二 再开始比较 （即不再管最后一个数[依次找得到最大数]）
private static void bubbleSort() {
Random random = new Random();
int[] arr = new int[10000];
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
arr[i] = random.nextInt(1000);
}
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
if (arr[j] > arr[j + 1]) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
}
重复的遍历过要排序的数列，一次比较相邻的两个元素，如果他们的顺序错误就把他们交换过来。
总结步骤：
- 相邻的元素两两比较，大的放右边，小的放左边
- 第一轮比较完毕之后，最大值就已经确定，第二轮可以少循环一次，后面以此类推
- 如果数组中有n个数据，总共我们只要执行n-1轮的代码就可以
public class BubbleDemo {
public static void main(String[] args) {
/*
冒泡排序：
核心思想：
1，相邻的元素两两比较，大的放右边，小的放左边。
2，第一轮比较完毕之后，最大值就已经确定，第二轮可以少循环一次，后面以此类推。
3，如果数组中有n个数据，总共我们只要执行n-1轮的代码就可以。
*/
//1.定义数组
int[] arr = {2, 4, 5, 3, 1};
//2.利用冒泡排序将数组中的数据变成 1 2 3 4 5
//外循环：表示我要执行多少轮。 如果有n个数据，那么执行n - 1 轮
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
//内循环：每一轮中我如何比较数据并找到当前的最大值
//-1：为了防止索引越界
//-i：提高效率，每一轮执行的次数应该比上一轮少一次。
for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
//i 依次表示数组中的每一个索引：0 1 2 3 4
if(arr[j] > arr[j + 1]){
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
printArr(arr);
}
private static void printArr(int[] arr) {
//3.遍历数组
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
System.out.println();
}
}
选择排序
找到最小的数 排在最前面
第一轮： 0索引位置的数 与后面的数依次比较 找到最小的互换位置
第二轮： 1索引位置的数 与… 以此循环
注意内循环 是从1 开始 所以 arr.length不减1
//for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
// if (arr[0] > arr[i + 1]) {
// int temp = arr[0];
// arr[0] = arr[i + 1];
// arr[i + 1] = temp;
// }
//}
//
//for (int i = 1; i < arr.length - 1; i++) {
// if (arr[1] > arr[i + 1]) {
// int temp = arr[1];
// arr[1] = arr[i + 1];
// arr[i + 1] = temp;
// }
//}
// 关于为什么 (j = 1 +i) :
//① i = 0 -> j= 1 ~ 5
//② i = 1 -> j = 2 ~ 5
//...
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
for (int j = 1 + i; j < arr.length; j++) {
if (arr[i] > arr[j]) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
}
private static void selectionSort() {
int[] arr = {2, 4, 5, 3, 1};
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
for (int j = 1 + i; j < arr.length; j++) {
if (arr[i] > arr[j]) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
}
总结步骤：
- 从0索引开始，跟后面的元素一一比较
- 小的放前面，大的放后面
- 第一次循环结束后，最小的数据已经确定
- 第二次循环从1索引开始以此类推
- 第三轮循环从2索引开始以此类推
- 第四轮循环从3索引开始以此类推。
public class SelectionDemo {
public static void main(String[] args) {
/*
选择排序：
1，从0索引开始，跟后面的元素一一比较。
2，小的放前面，大的放后面。
3，第一次循环结束后，最小的数据已经确定。
4，第二次循环从1索引开始以此类推。
*/
//1.定义数组
int[] arr = {2, 4, 5, 3, 1};
//2.利用选择排序让数组变成 1 2 3 4 5
/* //第一轮：
//从0索引开始，跟后面的元素一一比较。
for (int i = 0 + 1; i < arr.length; i++) {
//拿着0索引跟后面的数据进行比较
if(arr[0] > arr[i]){
int temp = arr[0];
arr[0] = arr[i];
arr[i] = temp;
}
}*/
//最终代码：
//外循环：几轮
//i:表示这一轮中，我拿着哪个索引上的数据跟后面的数据进行比较并交换
for (int i = 0; i < arr.length -1; i++) {
//内循环：每一轮我要干什么事情？
//拿着i跟i后面的数据进行比较交换
for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
if(arr[i] > arr[j]){
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
}
printArr(arr);
}
private static void printArr(int[] arr) {
//3.遍历数组
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
System.out.println();
}
}
插入排序
首先分为 有序的部分 无序的部分 数据
无序的部分第一个数 依次 与有序的数据 倒序进行对比 ， 然后将无序的部分插入到有序的适当位置
依次循环 每个无序的第一个数 与有序的倒序 对比 加入到有序的部分 中
其实就是 跟它的前一个数对比 交换位置
int[] arr = {3, 44, 38, 5, 47, 15, 36, 26, 27, 2, 46, 4, 19, 50, 48};
//1.找到无序的部分
int startIndex = -1;
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] > arr[i + 1]) {
startIndex = i + 1;
break;
}
}
//2.遍历无序 (可以用while 或者 for) 用while 比较清晰
for (int i = startIndex; i < arr.length; i++) {
//int j = i;
//
//while (j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]) {
// int temp = arr[j];
// arr[j] = arr[j - 1];
// arr[j - 1] = temp;
// j--;
//}
for (int j = i; j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]; j--) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j - 1];
arr[j - 1] = temp;
}
}
插入排序在插入的时候，有优化算法，在遍历有序序列找正确位置时，可以采取二分查找
private static void insertionSorting() {
int[] arr = {3, 44, 38, 5, 47, 15, 36, 26, 27, 2, 46, 4, 19, 50, 48};
//1.找到无序的部分的索引头
int index = findOrderPart(arr);
for (int i = index; i < arr.length; i++) {
for (int j = i; j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]; j--) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j - 1];
arr[j - 1] = temp;
}
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
}
private static int findOrderPart(int[] arr) {
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] > arr[i + 1]) {
return i + 1;
}
}
return -1;
}
public class InsertDemo {
public static void main(String[] args) {
/*
插入排序：
将0索引的元素到N索引的元素看做是有序的，把N+1索引的元素到最后一个当成是无序的。
遍历无序的数据，将遍历到的元素插入有序序列中适当的位置，如遇到相同数据，插在后面。
N的范围：0~最大索引
*/
int[] arr = {3, 44, 38, 5, 47, 15, 36, 26, 27, 2, 46, 4, 19, 50, 48};
//1.找到无序的哪一组数组是从哪个索引开始的。 2
int startIndex = -1;
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
if(arr[i] > arr[i + 1]){
startIndex = i + 1;
break;
}
}
//2.遍历从startIndex开始到最后一个元素，依次得到无序的哪一组数据中的每一个元素
for (int i = startIndex; i < arr.length; i++) {
//问题：如何把遍历到的数据，插入到前面有序的这一组当中
//记录当前要插入数据的索引
int j = i;
while(j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]){
//交换位置
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j - 1];
arr[j - 1] = temp;
j--;
}
}
printArr(arr);
}
private static void printArr(int[] arr) {
//3.遍历数组
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
System.out.println();
}
}
快速排序
- 定义两个索引：从前往后 寻找 比基准数大的 // 从后往前 寻找 比基准数小的 --> 找到两个索引交换位置
- 直到 两个索引交汇在同一个数值索引位置上 为止
- 之后 这个交汇位置的值 与 基准数 进行交换
- 以上为一轮交换逻辑。
- 循环使用递归方法进行排序， 以基准数为分界线，分为两部分，两次递归 重复排序
private static void quickSort(int[] arr, int i, int j) {
int start = i;
int end = j;
if (start > end) {
return;
}
int baseNum = arr[i];
while (start != end) {
while (true) {
if (start >= end || arr[end] < baseNum) {
break;
}
end--;
}
while (true) {
if (start >= end || arr[start] > baseNum) {
break;
}
start++;
}
int temp = arr[start];
arr[start] = arr[end];
arr[end] = temp;
}
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[start];
arr[start] = temp;
quickSort(arr, i, start - 1);
quickSort(arr, start + 1, j);
}
总结步骤：
- 从数列中挑出一个元素，一般都是左边第一个数字，称为 “基准数”;
- 创建两个指针，一个从前往后走，一个从后往前走。
- 先执行后面的指针，找出第一个比基准数小的数字
- 再执行前面的指针，找出第一个比基准数大的数字
- 交换两个指针指向的数字
- 直到两个指针相遇
- 将基准数跟指针指向位置的数字交换位置，称之为：基准数归位。
- 第一轮结束之后，基准数左边的数字都是比基准数小的，基准数右边的数字都是比基准数大的。
- 把基准数左边看做一个序列，把基准数右边看做一个序列，按照刚刚的规则递归排序
public class QuickSortDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Integer.MAX_VALUE);
System.out.println(Integer.MIN_VALUE);
/*
快速排序：
第一轮：以0索引的数字为基准数，确定基准数在数组中正确的位置。
比基准数小的全部在左边，比基准数大的全部在右边。
后面以此类推。
*/
int[] arr = {6, 1, 2, 7, 9, 3, 4, 5, 10, 8};
//int[] arr = new int[1000000];
/* Random r = new Random();
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
arr[i] = r.nextInt();
}*/
long start = System.currentTimeMillis();
quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);//149
System.out.println(Arrays.toString(arr));
//课堂练习：
//我们可以利用相同的办法去测试一下，选择排序，冒泡排序以及插入排序运行的效率
//得到一个结论：快速排序真的非常快。
/* for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}*/
}
/*
* 参数一：我们要排序的数组
* 参数二：要排序数组的起始索引
* 参数三：要排序数组的结束索引
* */
public static void quickSort(int[] arr, int i, int j) {
//定义两个变量记录要查找的范围
int start = i;
int end = j;
if(start > end){
//递归的出口
return;
}
//记录基准数
int baseNumber = arr[i];
//利用循环找到要交换的数字
while(start != end){
//利用end，从后往前开始找，找比基准数小的数字
//int[] arr = {1, 6, 2, 7, 9, 3, 4, 5, 10, 8};
while(true){
if(end <= start || arr[end] < baseNumber){
break;
}
end--;
}
System.out.println(end);
//利用start，从前往后找，找比基准数大的数字
while(true){
if(end <= start || arr[start] > baseNumber){
break;
}
start++;
}
//把end和start指向的元素进行交换
int temp = arr[start];
arr[start] = arr[end];
arr[end] = temp;
}
//当start和end指向了同一个元素的时候，那么上面的循环就会结束
//表示已经找到了基准数在数组中应存入的位置
//基准数归位
//就是拿着这个范围中的第一个数字，跟start指向的元素进行交换
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[start];
arr[start] = temp;
//确定6左边的范围，重复刚刚所做的事情
quickSort(arr,i,start - 1);
//确定6右边的范围，重复刚刚所做的事情
quickSort(arr,start + 1,j);
}
}
总结
