10大经典排序

1、冒泡排序(Bubble Sort)

冒泡排序是一种简单的排序算法。它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果它们的顺序错误就把它们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

1.1 算法描述

  • 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换它们两个;
  • 对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对,这样在最后的元素应该会是最大的数;
  • 针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个;
  • 重复步骤1~3,直到排序完成。

1.2 动图演示

十大经典排序算法

1.3 代码实现

/**
	 * 冒泡排序 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。
	 * 对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。在这一点,最后的元素应该会是最大的数。 针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
	 * 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。
	 * 
	 * @param numbers
	 * 需要排序的整型数组
	 */
	public static void bubbleSort(int[] numbers) {
		int temp = 0;
		int size = numbers.length;
		for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
			for (int j = 0; j < size - 1 - i; j++) {
				if (numbers[j] > numbers[j + 1]) // 交换两数位置
				{
					temp = numbers[j];
					numbers[j] = numbers[j + 1];
					numbers[j + 1] = temp;
				}
			}
		}
	}

2、选择排序(Selection Sort)

选择排序(Selection-sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理:首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。

2.1 算法描述

n个记录的直接选择排序可经过n-1趟直接选择排序得到有序结果。具体算法描述如下:

· 初始状态:无序区为R[1..n],有序区为空;

· 第i趟排序(i=1,2,3…n-1)开始时,当前有序区和无序区分别为R[1..i-1]和R(i..n)。该趟排序从当前无序区中-选出关键字最小的记录 R[k],将它与无序区的第1个记录R交换,使R[1..i]和R[i+1..n)分别变为记录个数增加1个的新有序区和记录个数减少1个的新无序区;

· n-1趟结束,数组有序化了。

2.2 动图演示

十大经典排序算法

2.3 代码实现

/**
	 * 选择排序算法 在未排序序列中找到最小元素,存放到排序序列的起始位置 再从剩余未排序元素中继续寻找最小元素,然后放到排序序列末尾。
	 * 以此类推,直到所有元素均排序完毕。
	 * 
	 * @param numbers
	 */
	public static void selectSort(int[] numbers) {
		int size = numbers.length; // 数组长度
		int temp = 0; // 中间变量
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			int k = i; // 待确定的位置
			// 选择出应该在第i个位置的数
			for (int j = size - 1; j > i; j--) {
				if (numbers[j] < numbers[k]) {
					k = j;
				}
			}
			// 交换两个数
			temp = numbers[i];
			numbers[i] = numbers[k];
			numbers[k] = temp;
		}
	}

2.4 算法分析

表现最稳定的排序算法之一,因为无论什么数据进去都是O(n2)的时间复杂度,所以用到它的时候,数据规模越小越好。唯一的好处可能就是不占用额外的内存空间了吧。理论上讲,选择排序可能也是平时排序一般人想到的最多的排序方法了吧。

3、插入排序(Insertion Sort)

插入排序(Insertion-Sort)的算法描述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。

3.1 算法描述

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:

· 从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序;

· 取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描;

· 如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置;

· 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;

· 将新元素插入到该位置后;

· 重复步骤2~5。

3.2 动图演示

十大经典排序算法

3.3 代码实现

/**
	 * 插入排序
	 * 
	 * 从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序 取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描
	 * 如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置 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 将新元素插入到该位置中 重复步骤2
	 * 
	 * @param numbers
	 * 待排序数组
	 */
	public static void insertSort(int[] numbers) {
		int size = numbers.length;
		int temp = 0;
		int j = 0;
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			temp = numbers[i];
			// 假如temp比前面的值小,则将前面的值后移
			for (j = i; j > 0 && temp < numbers[j - 1]; j--) {
				numbers[j] = numbers[j - 1];
			}
			numbers[j] = temp;
		}
	}

3.4 算法分析

插入排序在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到O(1)的额外空间的排序),因而在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后挪位,为最新元素提供插入空间。

4、希尔排序(Shell Sort)

1959年Shell发明,第一个突破O(n2)的排序算法,是简单插入排序的改进版。它与插入排序的不同之处在于,它会优先比较距离较远的元素。希尔排序又叫缩小增量排序

4.1 算法描述

先将整个待排序的记录序列分割成为若干子序列分别进行直接插入排序,具体算法描述:

  • 选择一个增量序列t1,t2,…,tk,其中ti>tj,tk=1;
  • 按增量序列个数k,对序列进行k 趟排序;
  • 每趟排序,根据对应的增量ti,将待排序列分割成若干长度为m 的子序列,分别对各子表
  • 进行直接插入排序。仅增量因子为1 时,整个序列作为一个表来处理,表长度即为整个序
  • 列的长度。

4.2 动图演示

十大经典排序算法

4.3 代码实现

/**

* 希尔排序的原理:根据需求,如果你想要结果从大到小排列,它会首先将数组进行分组,然后将较大值移到前面,较小值

* 移到后面,最后将整个数组进行插入排序,这样比起一开始就用插入排序减少了数据交换和移动的次数,可以说希尔排序是加强 版的插入排序 拿数组5, 2,

* 8, 9, 1, 3,4来说,数组长度为7,当increment为3时,数组分为两个序列

* 5,2,8和9,1,3,4,第一次排序,9和5比较,1和2比较,3和8比较,4和比其下标值小increment的数组值相比较

* 此例子是按照从大到小排列,所以大的会排在前面,第一次排序后数组为9, 2, 8, 5, 1, 3,4

* 第一次后increment的值变为3/2=1,此时对数组进行插入排序, 实现数组从大到小排

*/

public static void shellSort(int[] data) {

int j = 0;

int temp = 0;

// 每次将步长缩短为原来的一半

for (int increment = data.length / 2; increment > 0; increment /= 2) {

for (int i = increment; i < data.length; i++) {

temp = data[i];

for (j = i; j >= increment; j -= increment) {

if (temp > data[j – increment])// 如想从小到大排只需修改这里

{

data[j] = data[j – increment];

} else {

break;

}

}

data[j] = temp;

}

}

}

4.4 算法分析

希尔排序的核心在于间隔序列的设定。既可以提前设定好间隔序列,也可以动态的定义间隔序列。动态定义间隔序列的算法是《算法(第4版)》的合著者Robert Sedgewick提出的。

5、归并排序(Merge Sort)

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。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。若将两个有序表合并成一个有序表,称为2-路归并。

5.1 算法描述

  • 把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列;
  • 对这两个子序列分别采用归并排序;
  • 将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

5.2 动图演示

十大经典排序算法

5.3 代码实现

/**

* 归并排序 简介:将两个(或两个以上)有序表合并成一个新的有序表

* 即把待排序序列分为若干个子序列,每个子序列是有序的。然后再把有序子序列合并为整体有序序列 时间复杂度为O(nlogn) 稳定排序方式

*

* @param nums

* 待排序数组

* @return 输出有序数组

*/

public static int[] sort(int[] nums, int low, int high) {

int mid = (low + high) / 2;

if (low < high) {

// 左边

sort(nums, low, mid);

// 右边

sort(nums, mid + 1, high);

// 左右归并

merge(nums, low, mid, high);

}

return nums;

}

/**

* 将数组中low到high位置的数进行排序

*

* @param nums

* 待排序数组

* @param low

* 待排的开始位置

* @param mid

* 待排中间位置

* @param high

* 待排结束位置

*/

public static void merge(int[] nums, int low, int mid, int high) {

int[] temp = new int[high – low + 1];

int i = low;// 左指针

int j = mid + 1;// 右指针

int k = 0;

// 把较小的数先移到新数组中

while (i <= mid && j <= high) {

if (nums[i] < nums[j]) {

temp[k++] = nums[i++];

} else {

temp[k++] = nums[j++];

}

}

// 把左边剩余的数移入数组

while (i <= mid) {

temp[k++] = nums[i++];

}

// 把右边边剩余的数移入数组

while (j <= high) {

temp[k++] = nums[j++];

}

// 把新数组中的数覆盖nums数组

for (int k2 = 0; k2 < temp.length; k2++) {

nums[k2 + low] = temp[k2];

}

}

5.4 算法分析

归并排序是一种稳定的排序方法。和选择排序一样,归并排序的性能不受输入数据的影响,但表现比选择排序好的多,因为始终都是O(nlogn)的时间复杂度。代价是需要额外的内存空间。

6、快速排序(Quick Sort)

快速排序的基本思想:通过一趟排序将待排记录分隔成独立的两部分,其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小,则可分别对这两部分记录继续进行排序,以达到整个序列有序。

6.1 算法描述

快速排序使用分治法来把一个串(list)分为两个子串(sub-lists)。具体算法描述如下:

  • 从数列中挑出一个元素,称为 “基准”(pivot);
  • 重新排序数列,所有元素比基准值小的摆放在基准前面,所有元素比基准值大的摆在基准
  • 的后面(相同的数可以到任一边)。在这个分区退出之后,该基准就处于数列的中间位
  • 置。这个称为分区(partition)操作;
  • 递归地(recursive)把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。

6.2 动图演示

十大经典排序算法

6.3 代码实现

/**
	 * 查找出中轴(默认是最低位low)的在numbers数组排序后所在位置
	 * 
	 * @param numbers
	 * 带查找数组
	 * @param low
	 * 开始位置
	 * @param high
	 * 结束位置
	 * @return 中轴所在位置
	 */
	public static int getMiddle(int[] numbers, int low, int high) {
		int temp = numbers[low]; // 数组的第一个作为中轴
		while (low < high) {
			while (low < high && numbers[high] > temp) {
				high--;
			}
			numbers[low] = numbers[high];// 比中轴小的记录移到低端
			while (low < high && numbers[low] < temp) {
				low++;
			}
			numbers[high] = numbers[low]; // 比中轴大的记录移到高端
		}
		numbers[low] = temp; // 中轴记录到尾
		return low; // 返回中轴的位置
	}
	/**
	 * 
	 * @param numbers
	 * 带排序数组
	 * @param low
	 * 开始位置
	 * @param high
	 * 结束位置
	 */
	public static void quickSort(int[] numbers, int low, int high) {
		if (low < high) {
			int middle = getMiddle(numbers, low, high); // 将numbers数组进行一分为二
			quickSort(numbers, low, middle - 1); // 对低字段表进行递归排序
			quickSort(numbers, middle + 1, high); // 对高字段表进行递归排序
		}
	}
	/**
	 * 快速排序
	 * 
	 * @param numbers
	 * 带排序数组
	 */
	public static void quick(int[] numbers) {
		if (numbers.length > 0) {// 查看数组是否为空
			quickSort(numbers, 0, numbers.length - 1);
		}
	}
	/**
	 * 打印函数
	 * 
	 * @param numbers
	 */
	public static void printArr(int[] numbers) {
		for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
			System.out.print(numbers[i] + ",");
		}
		System.out.println("");
	}

6.4算法分析

快速排序是通常被认为在同数量级(O(nlog2n))的排序方法中平均性能最好的。但若初始序列按关键码有序或基本有序时,快排序反而蜕化为冒泡排序。为改进之,通常以“三者取中法”来选取基准记录,即将排序区间的两个端点与中点三个记录关键码居中的调整为支点记录。快速排序是一个不稳定的排序方法。

7、堆排序(Heap Sort)

堆排序(Heapsort)是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构,并同时满足堆积的性质:即子结点的键值或索引总是小于(或者大于)它的父节点。

7.1 算法描述

  • 将初始待排序关键字序列(R1,R2….Rn)构建成大顶堆,此堆为初始的无序区;
  • 将堆顶元素R[1]与最后一个元素R[n]交换,此时得到新的无序区(R1,R2,……Rn-1)和新的
  • 有序区(Rn),且满足R[1,2…n-1]<=R[n];
  • 由于交换后新的堆顶R[1]可能违反堆的性质,因此需要对当前无序区(R1,R2,……Rn-1)调
  • 整为新堆,然后再次将R[1]与无序区最后一个元素交换,得到新的无序区(R1,R2….Rn-2)
  • 和新的有序区(Rn-1,Rn)。不断重复此过程直到有序区的元素个数为n-1,则整个排序过程
  • 完成。

7.2 动图演示

十大经典排序算法

7.3 代码实现

public static void main(String[] args) {

int[] a = { 49, 38, 65, 97, 76, 13, 27, 49, 78, 34, 12, 64 };

int arrayLength = a.length;

// 循环建堆

for (int i = 0; i < arrayLength – 1; i++) {

// 建堆

buildMaxHeap(a, arrayLength – 1 – i);

// 交换堆顶和最后一个元素

swap(a, 0, arrayLength – 1 – i);

System.out.println(Arrays.toString(a));

}

}

// 对data数组从0到lastIndex建大顶堆

public static void buildMaxHeap(int[] data, int lastIndex) {

// 从lastIndex处节点(最后一个节点)的父节点开始

for (int i = (lastIndex – 1) / 2; i >= 0; i–) {

// k保存正在判断的节点

int k = i;

// 如果当前k节点的子节点存在

while (k * 2 + 1 <= lastIndex) {

// k节点的左子节点的索引

int biggerIndex = 2 * k + 1;

// 如果biggerIndex小于lastIndex,即biggerIndex+1代表的k节点的右子节点存在

if (biggerIndex < lastIndex) {

// 若果右子节点的值较大

if (data[biggerIndex] < data[biggerIndex + 1]) {

// biggerIndex总是记录较大子节点的索引

biggerIndex++;

}

}

// 如果k节点的值小于其较大的子节点的值

if (data[k] < data[biggerIndex]) {

// 交换他们

swap(data, k, biggerIndex);

// 将biggerIndex赋予k,开始while循环的下一次循环,重新保证k节点的值大于其左右子节点的值

k = biggerIndex;

} else {

break;

}

}

}

}

// 交换

private static void swap(int[] data, int i, int j) {

int tmp = data[i];

data[i] = data[j];

data[j] = tmp;

}

8、计数排序(Counting Sort)

计数排序不是基于比较的排序算法,其核心在于将输入的数据值转化为键存储在额外开辟的数组空间中。 作为一种线性时间复杂度的排序,计数排序要求输入的数据必须是有确定范围的整数。

8.1 算法描述

  • 找出待排序的数组中最大和最小的元素;
  • 统计数组中每个值为i的元素出现的次数,存入数组C的第i项;
  • 对所有的计数累加(从C中的第一个元素开始,每一项和前一项相加);
  • 反向填充目标数组:将每个元素i放在新数组的第C(i)项,每放一个元素就将C(i)减去1。

8.2 动图演示

十大经典排序算法

8.3 代码实现

private static int[] countingSort(int[] arr, int maxValue) {
		int[] bucket = new int[maxValue + 1];
		int sortedIndex = 0;
		int arrLen = arr.length;
		int bucketLen = maxValue + 1;
		for (int i = 0; i < arrLen; i++) {
			if (bucket[arr[i]] != 0) {
				bucket[arr[i]] = 0;
			}
			bucket[arr[i]]++;
		}
		for (int j = 0; j < bucketLen; j++) {
			while (bucket[j] > 0) {
				arr[sortedIndex++] = j;
				bucket[j]--;
			}
		}
		return arr;
	}

9、桶排序(Bucket Sort)

桶排序是计数排序的升级版。它利用了函数的映射关系,高效与否的关键就在于这个映射函数的确定。桶排序 (Bucket sort)的工作的原理:假设输入数据服从均匀分布,将数据分到有限数量的桶里,每个桶再分别排序(有可能再使用别的排序算法或是以递归方式继续使用桶排序进行排)。

9.1 算法描述

  • 设置一个定量的数组当作空桶;
  • 遍历输入数据,并且把数据一个一个放到对应的桶里去;
  • 对每个不是空的桶进行排序;
  • 从不是空的桶里把排好序的数据拼接起来。

9.2 图片演示

十大经典排序算法

9.3 代码实现

public static void bucketSort(int[] arr) {
		System.out.println("排序前数组:" + Arrays.toString(arr));
		System.out.println();
		// 寻找数组中min,max,用于建桶
		int min = 0, max = 0;
		for (int i = 0; i <= arr.length - 1; i++) {
			if (arr[i] < min) {
				min = arr[i];
			}
			if (arr[i] > max) {
				max = arr[i];
			}
		}
		System.out.println("预处理信息:" + "min:" + min + " " + "max:" + max);
		System.out.println();
		// 开始建桶,注意桶的数量等于max - min + 1
		System.out.println("排序过程中桶状态:");
		int bucketCount = max - min + 1;
		System.out.println("桶个数:" + bucketCount + ",桶下标范围0~" + (bucketCount - 1));
		int[] bucket = new int[bucketCount];
		for (int i = 0; i <= arr.length - 1; i++) {
			bucket[arr[i] - min]++;
		}
		System.out.println(Arrays.toString(bucket));
		for (int i = 1; i < bucketCount; i++) {
			bucket[i] = bucket[i] + bucket[i - 1];
		}
		System.out.println(Arrays.toString(bucket));
		System.out.println();
		// 开始排序
		int[] copy = new int[arr.length];
		System.arraycopy(arr, 0, copy, 0, arr.length);
		// 从后往前排序,保持元素相对位置,保证算法稳定性。
		for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {
			arr[--bucket[copy[i] - min]] = copy[i];
		}
		// 若从前往后排序,虽然排序结果相同,但会破坏元素相对位置和算法稳定性
		// for(int i = 0; i <= arr.length - 1; i++){
		// arr[--bucket[copy[i] - min]] = copy[i];
		// }
		System.out.println("排序后数组:" + Arrays.toString(arr));
	}

9.4 算法分析

桶排序最好情况下使用线性时间O(n),桶排序的时间复杂度,取决与对各个桶之间数据进行排序的时间复杂度,因为其它部分的时间复杂度都为O(n)。很显然,桶划分的越小,各个桶之间的数据越少,排序所用的时间也会越少。但相应的空间消耗就会增大。

10、基数排序(Radix Sort)

基数排序是按照低位先排序,然后收集;再按照高位排序,然后再收集;依次类推,直到最高位。有时候有些属性是有优先级顺序的,先按低优先级排序,再按高优先级排序。最后的次序就是高优先级高的在前,高优先级相同的低优先级高的在前。

10.1 算法描述

  • 取得数组中的最大数,并取得位数;
  • arr为原始数组,从最低位开始取每个位组成radix数组;
  • 对radix进行计数排序(利用计数排序适用于小范围数的特点);

10.2 动图演示

十大经典排序算法

10.3 代码实现

private static void radixSort(int[] array, int d) {

int n = 1;// 代表位数对应的数:1,10,100…

int k = 0;// 保存每一位排序后的结果用于下一位的排序输入

int length = array.length;

int[][] bucket = new int[10][length];// 排序桶用于保存每次排序后的结果,这一位上排序结果相同的数字放在同一个桶里

int[] order = new int[length];// 用于保存每个桶里有多少个数字

while (n < d) {

for (int num : array) // 将数组array里的每个数字放在相应的桶里

{

int digit = (num / n) % 10;

bucket[digit][order[digit]] = num;

order[digit]++;

}

for (int i = 0; i < length; i++)// 将前一个循环生成的桶里的数据覆盖到原数组中用于保存这一位的排序结果

{

if (order[i] != 0)// 这个桶里有数据,从上到下遍历这个桶并将数据保存到原数组中

{

for (int j = 0; j < order[i]; j++) {

array[k] = bucket[i][j];

k++;

}

}

order[i] = 0;// 将桶里计数器置0,用于下一次位排序

}

n *= 10;

k = 0;// 将k置0,用于下一轮保存位排序结果

}

}

public static void main(String[] args) {

int[] A = new int[] { 73, 22, 93, 43, 55, 14, 28, 65, 39, 81 };

radixSort(A, 100);

for (int num : A) {

System.out.println(num);

}

}

10.4 算法分析

基数排序基于分别排序,分别收集,所以是稳定的。但基数排序的性能比桶排序要略差,每一次关键字的桶分配都需要O(n)的时间复杂度,而且分配之后得到新的关键字序列又需要O(n)的时间复杂度。假如待排数据可以分为d个关键字,则基数排序的时间复杂度将是O(d*2n) ,当然d要远远小于n,因此基本上还是线性级别的。

基数排序的空间复杂度为O(n+k),其中k为桶的数量。一般来说n>>k,因此额外空间需要大概n个左右。

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