数据结构和算法-3-排序算法

上一篇介绍了最基本的数据存储结构 -- 数组,既然提到数组就难免要说一下排序了,由于排序是一个比较重要的部分,在一些面试中问到算法基础也经常会问到,而且本篇会介绍8种常见的排序算法,篇幅较大,所以将排序单独分离出来作为一篇文章。

交换数组元素

在介绍排序算法前,先写一个交换数组中任意两个元素的方法,供下面各排序算法进行调用

数据结构和算法-3-排序算法

还有一个便于我们查看结果的打印方法,虽然没有什么技术含量,不过还是顺便写出来吧:

数据结构和算法-3-排序算法

下面正式开始介绍排序算法:

8种常见排序算法:

1. 简单选择排序

每一趟从待排序的数据元素中选出最小(或最大)的一个元素,顺序放在已排好序的数列的最后,直到全部待排序的数据元素排完,它需要经过n-1趟比较。代码实现如下:

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2. 冒泡排序

依次比较两个相邻的元素,将值大的元素交换至右端。代码实现如下:

数据结构和算法-3-排序算法

3. 直接插入排序

将待排序的数据元素按其关键字值的大小插入到前面的有序序列中。代码如下:

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3.2. 折半插入排序

又叫二分插入排序, 即寻找插入位置时,用二分法寻找

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4. 归并排序

  • 该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并,得到完全有序的序列;即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。
  • 将两个有序表合并成一个有序表,称为二路归并。
  • 优点:效率较高,时间复杂度为O(NlogN), 而冒泡,插入,选择的时间复杂度都是O(NN)
  • 缺点:需要在存储器中有一个大小等于被排序数组的中介数组,就是用空间换时间
  • 核心:归并两个有序数组

代码实现如下:

数据结构和算法-3-排序算法

5. 希尔排序:

  • 又叫最小增量排序,基于插入排序,时间复杂度O(N*(logN)2),效率不算太高,适于中等大小数组,但是非常容易实现,代码既简单又短。
  • 原理:通过加大插入排序中元素之间的间隔,并在这些有间隔的元素中进行插入排序,从而使数据项大跨度地移动,当这些数据项排过一趟序之后,希尔排序算法减小数据项的间隔再进行排序,依次进行下去,进行这些排序时的数据项之间的间隔被称为增量,习惯上用字母h来表示这个增量。
  • Shell排序是不稳定的,它的空间开销是O(1),时间开销估计在O(N3/2)~O(N7/6)之间
  • Shell原稿中建议初始间距为N/2,但这被证明不是最好的数列,会使时间复杂度降低到O(N*N)
  • 后又衍生出N/2.2的优化,其中的关键点在于间隔数列元素的互质性,这使得每一趟排序更有可能保持前一趟排序已排好的效果

代码实现如下:

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6. 快速排序:

  • 划分:快速排序的根本机制, 把数据分为两组,使所有关键字大于特定值的数据项在一组,小于的在另一组, 如全班学生的考试成绩以及格线60划分。
  • 时间复杂度: O(N*logN)
  • 原理:把一个数组分为两个子数组(划分), 然后递归的调用自身,为每个子数组进行快速排序。
  • 效率: 影响效率的关键点在于枢纽的选择(即上面划分中的关键字,例子中的60分),应尽量保证两个子数组的大小接近
  • 通常来说关键字可以选择任意一项数据,一般选择头尾arr[0]或arr[arr.length-1],但是这样做算法的性能是不稳定的,因为待排序的数组可能是有序的,会使时间复杂度降到O(N*N)
  • 理想中的枢纽应为待排序数组的中值数据项, 但是选取中间值比较麻烦,所以一个折中的办法就是'三项数据取中'划分,即数组头,尾,中,三个数据项的中值作为枢纽, 这样既简单又可以避免选择到最大或最小值作为枢纽的情况。

1. 常规实现:以起始(或结尾)索引为分界点

数据结构和算法-3-排序算法

2. 三项数据取中实现快速排序

数据结构和算法-3-排序算法

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7. 基数排序

  • 基数:一个数字系统的基,10是十进制系统的基数,2是二进制系统的基数
  • 把数值拆分2位数字位,对每一位进行排序
  • 缺点:以空间换时间

代码如下:

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8. 堆排序

代码如下:

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其中VectorHeap是一个自己写到堆的实现类,关于堆到后面介绍到堆时再详细介绍,下面先给出其具体实现类的代码

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其中的Node节点类实现如下:

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