排序算法
排序算法的介绍
排序也称排序算法(Sort Algorithm),排序是将一组数据,依指定的顺序进行排列的过程。
排序的分类:
内部排序:
指将需要处理的所有数据都加载到内部存储器(内存)中进行排序。
外部排序法:
数据量过大,无法全部加载到内存中,需要借助外部存储(文件等)进行排序。
常见的排序算法分类(见右图):
算法的时间复杂度
度量一个程序(算法)执行时间的两种方法
事后统计的方法
这种方法可行, 但是有两个问题:一是要想对设计的算法的运行性能进行评测,需要实际运行该程序;二是所 得时间的统计量依赖于计算机的硬件、软件等环境因素, 这种方式,要在同一台计算机的相同状态下运行,才能比
较那个算法速度更快。
事前估算的方法
通过分析某个算法的时间复杂度来判断哪个算法更优
时间频度
基本介绍
时间频度:一个算法花费的时间与算法中语句的执行次数成正比例,哪个算法中语句执行次数多,它花费时间 就多。一个算法中的语句执行次数称为语句频度或时间频度。记为 T(n)。
举例说明-忽略常数项
结论:
2n+20 和 2n 随着 n 变大,执行曲线无限接近, 20 可以忽略
3n+10 和 3n 随着 n 变大,执行曲线无限接近, 10 可以忽略
举例说明-忽略低次项
结论:
2n^2+3n+10 和 2n^2 随着 n 变大, 执行曲线无限接近, 可以忽略 3n+10
) n^2+5n+20 和 n^2 随着 n 变大,执行曲线无限接近, 可以忽略 5n+2
举例说明-忽略系数
结论:
随着 n 值变大,5n^2+7n 和 3n^2 + 2n ,执行曲线重合, 说明 这种情况下, 5 和 3 可以忽略
而 n^3+5n 和 6n^3+4n ,执行曲线分离,说明多少次方式关键
时间复杂度
- 一般情况下,算法中的基本操作语句的重复执行次数是问题规模 n 的某个函数,用 T(n)表示,若有某个辅 助函数 f(n),使得当 n 趋近于无穷大时,T(n) / f(n) 的极限值为不等于零的常数,则称 f(n)是 T(n)的同数量级函数。 记作 T(n)=O( f(n) ),称O( f(n) ) 为算法的渐进时间复杂度,简称时间复杂度。
- T(n) 不同,但时间复杂度可能相同。 如:T(n)=n²+7n+6 与 T(n)=3n²+2n+2 它们的 T(n) 不同,但时间复杂 度相同,都为 O(n²)
- 计算时间复杂度的方法:
- 用常数 1 代替运行时间中的所有加法常数 T(n)=n²+7n+6 => T(n)=n²+7n+1
- 修改后的运行次数函数中,只保留最高阶项 T(n)=n²+7n+1 => T(n) = n
- 去除最高阶项的系数 T(n) = n² => T(n) = n² => O(n²)
常见的时间复杂度
常数阶 O(1)
对数阶 O(log2n)
线性阶 O(n)
线性对数阶 O(nlog2n)
平方阶 O(n^2)
立方阶 O(n^3)
说明:参考上面的 O(n²) 去理解就好了,O(n³)相当于三层 n 循环,其它的类似
k 次方阶 O(n^k)
指数阶 O(2^n)
- 说明:
- 常见的算法时间复杂度由小到大依次为:Ο(1)<Ο(log2n)<Ο(n)<Ο(nlog2n)<Ο(n2)<Ο(n3)< Ο(nk) < Ο(2n) ,随着问题规模 n 的不断增大,上述时间复杂度不断增大,算法的执行效率越低
- 从图中可见,我们应该尽可能避免使用指数阶的算法
平均时间复杂度和最坏时间复杂度
平均时间复杂度是指所有可能的输入实例均以等概率出现的情况下,该算法的运行时间。
最坏情况下的时间复杂度称最坏时间复杂度。一般讨论的时间复杂度均是最坏情况下的时间复杂度。这样做的 原因是:最坏情况下的时间复杂度是算法在任何输入实例上运行时间的界限,这就保证了算法的运行时间不会 比最坏情况更长。
平均时间复杂度和最坏时间复杂度是否一致,和算法有关(如图:)。
算法的空间复杂度
基本介绍
类似于时间复杂度的讨论,一个算法的空间复杂度(Space Complexity)定义为该算法所耗费的存储空间,它也是 问题规模 n
空间复杂度(Space Complexity)是对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的量度。有的算法需要占用的 临时工作单元数与解决问题的规模 n 有关,它随着 n 的增大而增大,当 n 较大时,将占用较多的存储单元,例 如快速排序和归并排序算法, 基数排序就属于这种情况
在做算法分析时,主要讨论的是时间复杂度。从用户使用体验上看,更看重的程序执行的速度。一些缓存产品 (redis, memcache)和算法(基数排序)本质就是用空间换时间.
冒泡排序
基本介绍
冒泡排序(Bubble Sorting)的基本思想是:通过对待排序序列从前向后(从下标较小的元素开始),依次比较 相邻元素的值,若发现逆序则交换,使值较大的元素逐渐从前移向后部,就象水底下的气泡一样逐渐向上冒。
优化:
因为排序的过程中,各元素不断接近自己的位置,如果一趟比较下来没有进行过交换,就说明序列有序,因此要在 排序过程中设置一个标志 flag 判断元素是否进行过交换。从而减少不必要的比较。(这里说的优化,可以在冒泡排 序写好后,在进行)
演示冒泡过程的例子(图解)
小结上面的图解过程:
一共进行 数组的大小-1 次 大的循环
每一趟排序的次数在逐渐的减少
如果我们发现在某趟排序中,没有发生一次交换, 可以提前结束冒泡排序。这个就是优化
冒泡排序应用实例
将五个无序的数:3, 9, -1, 10, -2 使用冒泡排序法将其排成一个从小 到大的有序数列。
package com.atguigu.sort; import java.text.SimpleDateFormat; import java.util.Date; public class BubbleSort { public static void BubbleSort(int[] arr) { int temp; boolean flag=false; 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]) { flag=true; temp=arr[j]; arr[j]=arr[j+1]; arr[j+1]=temp; } } if (!flag) {//flag==false break; }else { flag=false; } } System.out.println("冒泡排序:"); for (int i = 0; i < arr.length; i++) { System.out.print(arr[i]+" "); } } public static void main(String[] args) { int[] arr={3,9,45,-5,43,66,1}; BubbleSort(arr); System.out.println(); int[] arr1=new int[80000]; for (int i = 0; i < arr1.length; i++) { arr1[i]=(int) (Math.random()*80); } Date date1 = new Date(); long time1 = date1.getTime(); SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); String datestr1 = simpleDateFormat.format(date1); System.out.println("排序前的时间是:"+datestr1); BubbleSort(arr1); Date date2 = new Date(); long time2 = date2.getTime(); String datestr2 = simpleDateFormat.format(date2); System.out.println("排序后的时间是:"+datestr2); System.out.println("所花时间:"+(time2-time1)); } }
选择排序
基本介绍
选择式排序也属于内部排序法,是从欲排序的数据中,按指定的规则选出某一元素,再依规定交换位置后达到 排序的目的。
选择排序思想:
选择排序(select sorting)也是一种简单的排序方法。它的基本思想是:第一次从 arr[0]
arr[n-1]中选取最小值, 与 arr[0]交换,第二次从 arr[1]arr[n-1]中选取最小值,与 arr[1]交换,第三次从 arr[2]arr[n-1]中选取最小值,与 arr[2] 交换,…,第 i 次从 arr[i-1]arr[n-1]中选取最小值,与 arr[i-1]交换,…, 第 n-1 次从 arr[n-2]~arr[n-1]中选取最小值, 与 arr[n-2]交换,总共通过 n-1 次,得到一个按排序码从小到大排列的有序序列。对一个数组的选择排序进行讲解
选择排序应用实例
请使用选择排序从低到高进行排序 [3,9,45,-5,43,66,1]
代码实现
package com.atguigu.sort;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Arrays;
import java.util.Date;
public class SelectSort {
public static void selectSort(int[] arr) {
for (int j = 0; j < arr.length-1; j++) {
int minIndex=j;
int min=arr[j];
for (int i =j+ 1; i < arr.length; i++) {
if (min>arr[i]) {
min=arr[i];
minIndex=i;
}
}
if (minIndex!=j) {
arr[minIndex]=arr[j];
arr[j]=min;
}
// System.out.println("第"+(j+1)+"轮后的结果:");
}
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr={3,9,45,-5,43,66,1};
selectSort(arr);
System.out.println();
int[] arr1=new int[80000];
for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
arr1[i]=(int) (Math.random()*80);
}
Date date1 = new Date();
long time1 = date1.getTime();
SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
String datestr1 = simpleDateFormat.format(date1);
System.out.println("排序前的时间是:"+datestr1);
selectSort(arr1);
Date date2 = new Date();
long time2 = date2.getTime();
String datestr2 = simpleDateFormat.format(date2);
System.out.println("排序后的时间是:"+datestr2);
System.out.println("所花时间:"+(time2-time1));
}
}
插入排序
插入排序法介绍:
插入式排序属于内部排序法,是对于欲排序的元素以插入的方式找寻该元素的适当位置,以达到排序的目的。
插入排序法思想
插入排序(Insertion Sorting)的基本思想是:把 n 个待排序的元素看成为一个有序表和一个无序表,开始时有 序表中只包含一个元素,无序表中包含有 n-1 个元素,排序过程中每次从无序表中取出第一个元素,把它的排 序码依次与有序表元素的排序码进行比较,将它插入到有序表中的适当位置,使之成为新的有序表。
插入排序思路图:
插入排序法应用实例:
考试成绩分别是 101, 34, 119, 1 请从小到大排序
代码实现:
package com.atguigu.sort; import java.util.Arrays; public class InsertSort { public static void main(String[] args) { int[] arr={101,34,119,1,-1,89}; insertSort(arr); System.out.println(Arrays.toString(arr)); } public static void insertSort(int[] arr) { int insertVal=0; int insertIndex=0; for (int i = 0; i < arr.length; i++) { //定义待插入的数 insertVal=arr[i]; insertIndex=i-1;// 即 arr[1]的前面这个数的下标 // 给 insertVal 找到插入的位置 // 说明 // 1. insertIndex >= 0 保证在给 insertVal 找插入位置,不越界 // 2. insertVal < arr[insertIndex] 待插入的数,还没有找到插入位置 // 3. 就需要将 arr[insertIndex]后 while (insertIndex>=0 && insertVal<arr[insertIndex]) { arr[insertIndex+1]=arr[insertIndex]; insertIndex--; } // 当退出 while 循环时,说明插入的位置找到, insertIndex + 1 if (insertIndex+1!=i) {//i表示插入值最大,不需要更改位置 arr[insertIndex+1]=insertVal; } System.out.println("第"+i+"轮插入"); System.out.println(Arrays.toString(arr)); } } }
希尔排序
简单插入排序存在的问题
我们看简单的插入排序可能存在的问题.
数组 arr = {2,3,4,5,6,1} 这时需要插入的数 1(最小), 这样的过程是:
{2,3,4,5,6,6}
{2,3,4,5,5,6}
{2,3,4,4,5,6}
{2,3,3,4,5,6}
{2,2,3,4,5,6}
{1,2,3,4,5,6}
结论: 当需要插入的数是较小的数时,后移的次数明显增多,对效率有影响.
希尔排序法介绍
希尔排序是希尔(Donald Shell)于 1959 年提出的一种排序算法。希尔排序也是一种插入排序,它是简单插入排序经过改进之后的一个更高效的版本,也称为缩小增量排序。
希尔排序法基本思想
希尔排序是把记录按下标的一定增量分组,对每组使用直接插入排序算法排序;随着增量逐渐减少,每组包含 的关键词越来越多,当增量减至 1 时,整个文件恰被分成一组,算法便终止
希尔排序法的示意图
希尔排序法应用实例:
有一群小牛, 考试成绩分别是 {8,9,1,7,2,3,5,4,6,0} 请从小到大排序.
希尔排序时, 对有序序列在插入时采用交换法, 并测试排序速度
希尔排序时, 对有序序列在插入时采用移动法, 并测试排序速度
代码实现
package com.atguigu.sort;
import java.util.Arrays;
public class ShellSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr={8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
// shellSort(arr);
shellSort2(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
public static void shellSort(int[] arr) { // 希尔排序时, 对有序序列在插入时采用交换法,
int temp = 0;
int count = 0;
for (int gap = arr.length/2; gap >0; gap/=2) {
for (int i = gap; i < arr.length; i++) {
for (int j = i-gap; j >=0; j-=gap) {
if (arr[j]>arr[j+gap]) {
temp=arr[j] ;
arr[j]=arr[j+gap];
arr[j+gap]=temp ;
}
}
}
System.out.println("希尔排序第" + (++count) + "轮 =" +Arrays.toString(arr));
}
}
//对交换式的希尔排序进行优化->移位法
public static void shellSort2(int[] arr) {
int count = 0;
for (int gap=arr.length/2; gap>0;gap/=2) {
for (int i = gap; i < arr.length; i++) {
int j=i;
int temp=arr[j];
if (arr[j]<arr[j-gap]) {
while (j-gap>=0 && temp<arr[j-gap]) {
arr[j]=arr[j-gap];
j-=gap;
}
arr[j]=temp;
}
}
System.out.println("希尔排序第" + (++count) + "轮 =" +Arrays.toString(arr));
}
}
}
快速排序
快速排序法介绍:
快速排序(Quicksort)是对冒泡排序的一种改进。基本思想是:通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两 部分,其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小,然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排 序,整个排序过程可以递归进行,以此达到整个数据变成有序序列
快速排序法示意图:
快速排序法应用实例:
要求: 对 [2,10,8,22,34,5,12,28,21,11] 进行从小到大的排序,要求使用快速排序法。
代码实现
package com.atguigu.sort;
import java.util.Arrays;
public class QuickSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr={2,10,8,22,34,5,12,28,21,11};
quickSort(arr, 0, arr.length-1);
System.out.println("arr="+Arrays.toString(arr));
}
public static void quickSort(int[] arr,int left,int right) {
int l=left; //左下标
int r=right;
int privot=arr[(left+right)/2];
int temp=0;
//while 循环的目的是让比 pivot 值小放到左边
//比 pivot 值大放到右
while (l<r) {
//在 pivot 的左边一直找,找到大于等于 pivot
while (arr[l]<privot) {
l+=1;
}
//在 pivot 的右边一直找,找到小于等于 pivot 值,才退出
while (arr[r]>privot) {
r-=1;
}
//如果 l >= r 说明 pivot 的左右两的值,已经按照左边全部是
//小于等于 pivot 值,右边全部是大于等于 pivot 值
if (l>=r) {
break;
}
//交换
temp=arr[l];
arr[l]=arr[r];
arr[r]=temp;
//如果交换完后,发现这个 arr[l] == pivot值,相等 r--, 前移
if (arr[l]==privot) {
r-=1;
}
//如果交换完后,发现这个 arr[r] == pivot 值 相等 l++, 后移
if (arr[r]==privot) {
l+=1;
}
}
// 如果 l == r, 必须 l++, r--, 否则为出现栈溢出
if (l==r) {
l+=1;
r-=1;
}
//向左递归
if (left<r) {
quickSort(arr, left, r);
}
//向右递归
if (right>l) {
quickSort(arr, l, right);
}
}
}
归并排序
归并排序介绍:
归并排序(MERGE-SORT)是利用归并的思想实现的排序方法,该算法采用经典的分治(divide-and-conquer) 策略(分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解,而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案”修 补”在一起,即分而治之)。
归并排序思想示意图 1-基本思想:
归并排序思想示意图 2-合并相邻有序子序列:
再来看看治阶段,我们需要将两个已经有序的子序列合并成一个有序序列,比如上图中的最后一次合并,要将 [4,5,7,8]和[1,2,3,6]两个已经有序的子序列,合并为最终序列[1,2,3,4,5,6,7,8],来看下实现步骤
归并排序的应用实例:
给你一个数组, val arr = Array(8, 4, 5, 7, 1, 3, 6, 2 ), 请使用归并排序完成排序。
代码演示:
package com.atguigu.sort;
import java.util.Arrays;
public class MergetSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr={8,4,5,7,1,3,6,2};
int temp[] = new int[arr.length]; //归并排序需要一个额外空间
mergeSort(arr, 0, arr.length-1,temp);
System.out.println("归并排序后=" + Arrays.toString(arr));
}
public static void mergeSort(int[] arr,int left,int right,int[] temp) {
if (left<right) {
int mid=(left+right)/2;
mergeSort(arr, left, mid, temp);
mergeSort(arr, mid+1,right, temp);
merge(arr,left,mid,right, temp);
}
}
public static void merge(int[] arr,int left,int mid,int right,int[] temp) {
int i=left;// 初始化 i, 左边有序序列的初始索
int j=mid+1;//初始化 j, 右边有序序列的初始索引
int t=0;//指向 temp 数组的当前索
//先把左右两边(有序)的数据按照规则填充到 temp 数组
//直到左右两边的有序序列,有一边处理完毕为止
while (i<=mid && j<=right) {
if (arr[i]<=arr[j]) {
temp[t]=arr[i];
t+=1;
i+=1;
}else {
temp[t]=arr[j];
t+=1;
j+=1;
}
}
//把有剩余数据的一边的数据依次全部填充到 temp
while (i<=mid) {//左边的有序序列还有剩余的元素,就全部填充到 temp
temp[t]=arr[i];
t+=1;
i+=1;
}
while (j<=right) {//右边的有序序列还有剩余的元素,就全部填充到 temp
temp[t]=arr[j];
t+=1;
j+=1;
}
//将 temp 数组的元素拷贝到 arr
//注意,并不是每次都拷贝所有
t=0;
int tempLeft=left;
//第一次合并 tempLeft = 0 , right = 1
// tempLeft = 2 right = 3
// tL=0 ri=3
//最后一次 tempLeft = 0 right = 7
while (tempLeft<=right) {
arr[tempLeft]=temp[t];
t+=1;
tempLeft+=1;
}
}
}
基数排序
基数排序(桶排序)介绍:
- 基数排序(radix sort)属于“分配式排序”(distribution sort),又称“桶子法”(bucket sort)或 bin sort,顾 名思义,它是通过键值的各个位的值,将要排序的元素分配至某些“桶”中,达到排序的作用
- 基数排序法是属于稳定性的排序,基数排序法的是效率高的稳定性排序法
- 基数排序(Radix Sort)是桶排序的扩展
- 基数排序是 1887 年赫尔曼·何乐礼发明的。它是这样实现的:将整数按位数切割成不同的数字,然后按每个 位数分别比较。
基数排序基本思想
- 将所有待比较数值统一为同样的数位长度,数位较短的数前面补零。然后,从最低位开始,依次进行一次排序。 这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后, 数列就变成一个有序序列。
- 这样说明,比较难理解,下面我们看一个图文解释,理解基数排序的步骤
基数排序图文说明
将数组 {53, 3, 542, 748, 14, 214} 使用基数排序, 进行升序排序
基数排序代码实现
要求:将数组 {53, 3, 542, 748, 14, 214} 使用基数排序, 进行升序排序
代码实现:
package com.atguigu.sort;
import java.util.Arrays;
public class RadixSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 53, 3, 542, 748, 14, 214 };
radixSort(arr);
System.out.println("arr= "+Arrays.toString(arr));
}
public static void radixSort(int[] arr) {
//1. 得到数组中最大的数的位数
int max=arr[0];
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
if (arr[i]>max) {
max=arr[i];
}
}
//得到最大数是几位数
int maxLength=(max+"").length();
//定义一个二维数组,表示 10 个桶, 每个桶就是一个一维数组
//1. 二维数组包含 10 个一维数组
//2. 为了防止在放入数的时候,数据溢出,则每个一维数组(桶),大小定为 arr.length
//3. 名明确,基数排序是使用空间换时间的经典算法
int[][] bucket=new int[10][arr.length];
//为了记录每个桶中,实际存放了多少个数据,我们定义一个一维数组来记录各个桶的每次放入的数据个数
int[] bucketElementCounts=new int[10];
//(针对每个元素的对应位进行排序处理), 第一次是个位,第二次是十位,第三次是百位..
for (int i = 0,n=1; i < maxLength;i++,n*=10) {
for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
//取出每个元素的对应位的值
int digitOfElement=arr[j] / n % 10;
//放入到对应的桶中
bucket[digitOfElement][bucketElementCounts[digitOfElement]]=arr[j];
bucketElementCounts[digitOfElement]++;
}
//按照这个桶的顺序(一维数组的下标依次取出数据,放入原来数组)
int index=0;
//遍历每一桶,并将桶中是数据,放入到原数组
for (int k = 0; k < bucketElementCounts.length; k++) {
//如果桶中,有数据,我们才放入到原数组
if (bucketElementCounts[k]!=0) {
//循环该桶即第 k 个桶(即第 k
for (int l = 0; l < bucketElementCounts[k]; l++) {
//取出元素放入到 arr
arr[index++]=bucket[k][l];
}
}
//第 i+1 轮处理后,需要将每个 bucketElementCounts[k] = 0 !!!!
bucketElementCounts[k]=0;
}
System.out.println("第"+(i+1)+"轮,对个位的排序处理 arr =" +Arrays.toString(arr));
}
}
}
基数排序的说明:
- 基数排序是对传统桶排序的扩展,速度很快.
- 基数排序是经典的空间换时间的方式,占用内存很大, 当对海量数据排序时,容易造成 OutOfMemoryError 。
- 基数排序时稳定的。[注:假定在待排序的记录序列中,存在多个具有相同的关键字的记录,若经过排序,这些
记录的相对次序保持不变,即在原序列中,r[i]=r[j],且 r[i]在 r[j]之前,而在排序后的序列中,r[i]仍在 r[j]之前,
则称这种排序算法是稳定的;否则称为不稳定的] - 有负数的数组,我们不用基数排序来进行排序, 如果要支持负数,参考: https://code.i-harness.com/zh-CN/q/e98fa9
常用排序算法总结和对比
一张排序算法的比较图
相关术语解释:
- 稳定:如果 a 原本在 b 前面,而 a=b,排序之后 a 仍然在 b 的前面;
- 不稳定:如果 a 原本在 b 的前面,而 a=b,排序之后 a 可能会出现在 b 的后面;
- 内排序:所有排序操作都在内存中完成;
- 外排序:由于数据太大,因此把数据放在磁盘中,而排序通过磁盘和内存的数据传输才能进行;
- 时间复杂度: 一个算法执行所耗费的时间。
- 空间复杂度:运行完一个程序所需内存的大小。
- n: 数据规模
- k: “桶”的个数
- In-place: 不占用额外内存
- Out-place: 占用额外内存