Java排序算法总结之(一)——插入排序(直接插入排序、折半插入排序、希尔排序)

排序方法可以分为两种:内部排序 和 外部排序

内部排序的方法很多,常用的大致可以分为:

  1. 插入排序(直接插入排序、折半插入排序、希尔排序)
  2. 交换排序(冒泡排序、快速排序)
  3. 选择排序(简单选择排序、堆排序)
  4. 归并排序
  5. 基数排序

评价排序算法的优劣一般从三个角度分析:

  • 空间复杂度:存储器使用量
  • 时间复杂度:最差、最好和平均时间复杂度
  • 稳定性。当序列中出现相等的数据时,经过排序后,前后顺序位置不变。

插入排序(Insertion Sort)

插入排序是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。

一般来说,插入排序都采用in-place在数组上实现。具体算法描述如下:

  1. 从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序
  2. 取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描
  3. 如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置
  4. 重复步骤3,直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置
  5. 将新元素插入到该位置后
  6. 重复步骤2~5
插入排序有很多种实现方式:

1 直接插入排序

基本操作:将一个数据插入到已排好序的有序表中,从而得到一个新的、长度加 1 的有序表,直接插入的步长为 1,即待插入的数据为当前有序表的下一数据。

图例:

         

代码:

package com.yanshx.sort;

public class InsertSort {
	//直接插入排序
	public static int[] insertSort(int[] s){
		
		for (int i = 1; i < s.length; i++) {//i = 0一个数据可以看成一个有序表,故从i = 1开始
			int j = i;
			while (j > 0 && s[j] < s[j - 1]) {//将每一位向后移动一位,直到将s[i]插入到合适的位置上
				int temp = s[j];
				s[j] = s[j - 1];
				s[j - 1] = temp;
				j -= 1;//从后向前扫描
			}
		}
		return s;
	}
	
	}
}

效率分析:

空间:只需要一个记录的辅助空间,空间复杂度O(1)。

时间:排序的基本操作为:比较两个数据的大小和移动记录。当待排序列按正序(即我们想要的顺序)排列时,进行的比较比较次数为最小值 n - 1 次,移动 0 次;而当序列为逆序时,比较次数达到最大值 n(n-1)/2,移动 n(n-1)/2 次。若序列为随机的,则待排序序列各种排列的概率相同,可取最小值与最大值的平均,时间复杂度为O(n^2)。

稳定性:true.当两者大小相等时,不进行交换,故前后顺序不变,稳定。

如果比较操作的代价比交换操作大的话,可以采用二分查找法来减少比较操作的数目。该算法可以认为是插入排序的一个变种,称为二分查找插入排序(又叫折半插入排序法)。

2 折半插入排序法

基本概念:是直接插入排序的一种改进。因为待插入元素前的序列为有序序列,折半查找的方法来加快寻找插入点的速度。

代码:

public static int[] binInsertSort(int[] s) {
<span style="white-space:pre">		</span>for (int i = 1; i < s.length; i++) {
<span style="white-space:pre">			</span>if (s[i] < s[i - 1]) {
<span style="white-space:pre">				</span>int mid;// 记录折半后的中间值
<span style="white-space:pre">				</span>int start = 0, end = i - 1;
<span style="white-space:pre">				</span>int temp = s[i];// 寄存当前需要插入的值
<span style="white-space:pre">				</span>while (start <= end) {// 跳出时,start的位置就是要插入的位置(start = end + 1)
<span style="white-space:pre">					</span>mid = start + (end - start) / 2;
<span style="white-space:pre">					</span>if (temp < s[mid]) {// 待插入的值小于中间值,则插入点在低半区
<span style="white-space:pre">						</span>end = mid - 1;
<span style="white-space:pre">					</span>}else { // <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">待插入的值大于中间值,则插入点在高半区</span>
<span style="white-space:pre">						</span>start = mid + 1;
<span style="white-space:pre">					</span>}
<span style="white-space:pre">				</span>}
<span style="white-space:pre">				</span>for (int j = i; j > start; j--) {
<span style="white-space:pre">					</span>s[j] = s[j - 1];
<span style="white-space:pre">				</span>}
<span style="white-space:pre">				</span>s[start] = temp;
<span style="white-space:pre">			</span>}
<span style="white-space:pre">		</span>}
<span style="white-space:pre">		</span>return s;
<span style="white-space:pre">	</span>}

效率分析:
复杂度:时间与空间复杂度和直接插入排序算法一样

稳定性:true.

3 希尔排序

基本概念:希尔排序又称“缩小增量排序”,先将整个待排序序列分割成若干子序列分别进行插入排序,分割规则为设定一个步长delta,每次比较 i, i + delta, i + 2*delta...序列,进行插入排序,然后缩短步长delta(一般取当前值的一半),直到delta = 1,对全体进行一次直接插入排序。

希尔排序示例:左图摘自严蔚敏等编著的数据结构一书,右图为算法的动态展示。


代码:

package com.yanshx.sort;

public class InsertSort {
	
	//希尔排序
	public static int[] shellSort(int[] s){
		int delta = s.length;
		while (true) {
			delta = delta / 2;//步长选择
			for (int i = delta; i < s.length; i++) {
					int k = i;
					while (k > delta - 1 && s[k] < s[k - delta]) {
						int temp = s[k];
						s[k] = s[k - delta];
						s[k - delta] = temp;
						k -= delta;
					}
			}
			if (delta == 1) {//步长为1时,排序一遍后即退出
				break;
			}
		}
		
		return s;
	}
}

效率分析:

空间:O(1)

时间:步长选择是希尔排序的重要部分,不同步长下对应的最坏情况复杂度是不同的。

步长序列 最坏情况下复杂度
稳定性:false.大步长的情况下可能会影响相等数据的相对顺序。

参考文献:

  1. 插入排序-Wikipedia
  2. 排序算法-Wikipedia
  3. [97严] 严蔚敏,吴伟民,《数据结构C语言版》,清华大学出版社,1997年4月

步长序列 最坏情况下复杂度

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