排序算法介绍
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,需要借助外部存储进行排序。
常见的排序算法分类(见下图)
基础排序是桶排序的一个扩展
算法的时间复杂度
度量一个程序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
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()。[举例说明]
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)/fn)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(fn)),称O(fn)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:
与
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
修改后的运行次数函数中,只保留最高阶项
去除最高阶项的系数
常见的时间复杂度
常数阶 O(1)
无论代码执行了多少行,只要是没有循环等复杂结构,那这个代码的时间复杂度就都是0(1)
1 2 3 4 5 int i = 1 ;int j = 2 ;++i; j++; int m = i + j;
上述代码在执行的时候,它消耗的时候并不随着某个变量的增长而增长,那么无论这类代码有多长,即使有几万几十万行,都可以用O(1)来表示它的时间复杂度。
对数阶
线性阶 O(n)
1 2 3 4 for (i1;i<=n;++i){ j=i; j++; }
说明:这段代码,for循环里面的代码会执行n遍,因此它消耗的时间是随着n的变化而变化的,因此这类代码都可以用O(n)来表示它的时间复杂度
线性对数阶
1 2 3 4 5 6 for (m=1 ;m<n;m++){ i=1 ; while (i<n){ i=i*2 ; } }
说明:线性对数阶O(nlogN)其实非常容易理解,将时间复杂度为Olog)的代码循环N遍的
话,那么它的时间复杂度就是n*O(log_2 N),也就是了O(nlog_2 N)
平方阶O(n²)
1 2 3 4 5 6 for (int i = 0 ; i <= n; i++) { for (int j = 0 ; j <= n; j++) { j = i; j++; } }
说明:平方阶O)就更容易理解了,如果把O)的代码再嵌套循环一遍,它的时间复杂度就是On),这段代码其实就是嵌套了2层n循环,它的时间复杂度就是O(nn),即o(n)如果将其中一层循环的n改成m,那它的时间复杂度就变成了O(m n)
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(如下图)。
算法的空间复杂度
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,它也是问题规模的函数。
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有关,它随着n的增大而增大,当较大时,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
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Iag判断元素是否进行过交换。从而减少不必要的比较。
示例图解
应用实例
我们举一个具体的案例来说明冒泡法。我们将五个无序的数:3,9,-1,10,20使用冒泡排序法将其排成一个从小到大 的有序数列。
代码实现
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 public class BubbleSorting { public static void main (String[] args) { int arr[] = {3 , 9 , -1 , 8 , 1 , 10 }; 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 ; int tem = arr[j]; arr[j] = arr[j + 1 ]; arr[j + 1 ] = tem; } } if (!flag) { break ; } else { flag = false ; } } for (int i : arr) { System.out.println(i); } } }
时间复杂度为O(n²),因为时嵌套循环
选择排序
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。
排序思想
分析图
代码实现
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时间复杂度为O(n²),因为时嵌套循环
插入排序
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。
排序思想
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。
图解
代码实现
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 public class InsetSort { public static void main (String[] args) { int [] temp = new int [20 ]; for (int i = 0 ; i < 20 ; i++) { int random = RandomUtils.nextInt(0 , 100 ); temp[i] = random; } insetSort(temp); System.out.println(JSON.toJSONString(temp)); } private static void insetSort (int [] arr) { for (int i = 1 ; i < arr.length; i++) { int intsetVal = arr[i]; int intsetIndex = i - 1 ; while (intsetIndex >= 0 && intsetVal < arr[intsetIndex]){ arr[intsetIndex + 1 ] = arr[intsetIndex]; intsetIndex -= 1 ; } arr[intsetIndex + 1 ] = intsetVal; } } }
希尔排序
插入排序存在的问题
希尔排序介绍
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 。
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
案例
应用实例
有两种方式
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
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快速排序
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
示意图
代码实现
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归并排序
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)。
基本思想
难理解
代码
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基数排序
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
代码实现
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说明:
如果有负数的数组,不用基数排序来排序
常用排序算法对比