1.常見算法分類
十種常見排序算法一般分為以下幾種:
(1)非線性時間比較類排序:交換類排序(快速排序和冒泡排序)、插入類排序(簡單插入排序和希爾排序)、選擇類排序(簡單選擇排序和堆排序)、歸並排序(二路歸並排序和多路歸並排序);
(2)線性時間非比較類排序:計數排序、基數排序和桶排序。
總結:
(1)在比較類排序中,歸並排序號稱最快,其次是快速排序和堆排序,兩者不相伯仲,但是有一點需要注意,數據初始排序狀態對堆排序不會產生太大的影響,而快速排序卻恰恰相反。
(2)線性時間非比較類排序一般要優於非線性時間比較類排序,但前者對待排序元素的要求較為嚴格,比如計數排序要求待排序數的最大值不能太大,桶排序要求元素按照hash分桶后桶內元素的數量要均勻。線性時間非比較類排序的典型特點是以空間換時間。
注:本博文的示例代碼均已遞增排序為目的。
2.算法描述與實現
2.1交換類排序
交換排序的基本方法是:兩兩比較待排序記錄的排序碼,交換不滿足順序要求的偶對,直到全部滿足位置。常見的冒泡排序和快速排序就屬於交換類排序。
2.1.1冒泡排序
算法思想:
從數組中第一個數開始,依次遍歷數組中的每一個數,通過相鄰比較交換,每一輪循環下來找出剩余未排序數的中的最大數並”冒泡”至數列的頂端。
算法步驟:
(1)從數組中第一個數開始,依次與下一個數比較並次交換比自己小的數,直到最后一個數。如果發生交換,則繼續下面的步驟,如果未發生交換,則數組有序,排序結束,此時時間復雜度為O(n);
(2)每一輪”冒泡”結束后,最大的數將出現在亂序數列的最后一位。重復步驟(1)。
穩定性:穩定排序。
時間復雜度: O(n)至O(n2)(function () {。
最好的情況:如果待排序數據序列為正序,則一趟冒泡就可完成排序,排序碼的比較次數為n-1次,且沒有移動,時間復雜度為O(n)。
最壞的情況:如果待排序數據序列為逆序,則冒泡排序需要n-1次趟起泡,每趟進行n-i次排序碼的比較和移動,即比較和移動次數均達到最大值:
比較次數:Cmax=∑i=1n−1(n−i)=n(n−1)/2=O(n2)
移動次數等於比較次數,因此最壞時間復雜度為O(n2)。
示例代碼:
void bubbleSort(int array[],int len){
//循環的次數為數組長度減一,剩下的一個數不需要排序
for(int i=0;i<len-1;++i){
bool noswap=true;
//循環次數為待排序數第一位數冒泡至最高位的比較次數
for(int j=0;j<len-i-1;++j){
if(array[j]>array[j+1]){
array[j]=array[j]+array[j+1];
array[j+1]=array[j]-array[j+1];
array[j]=array[j]-array[j+1];
//交換或者使用如下方式
//a=a^b;
//b=b^a;
//a=a^b;
noswap=false;
}
}
if(noswap) break;
}
}
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2.1.2快速排序
冒泡排序是在相鄰的兩個記錄進行比較和交換,每次交換只能上移或下移一個位置,導致總的比較與移動次數較多。快速排序又稱分區交換排序,是對冒泡排序的改進,快速排序采用的思想是分治思想。。
算法原理:
(1)從待排序的n個記錄中任意選取一個記錄(通常選取第一個記錄)為分區標准;
(2)把所有小於該排序列的記錄移動到左邊,把所有大於該排序碼的記錄移動到右邊,中間放所選記錄,稱之為第一趟排序;
(3)然后對前后兩個子序列分別重復上述過程,直到所有記錄都排好序。
穩定性:不穩定排序。
時間復雜度: O(nlog2n)。
最好的情況:是每趟排序結束后,每次划分使兩個子文件的長度大致相等,時間復雜度為O(nlog2n)。
最壞的情況:是待排序記錄已經排好序,第一趟經過n-1次比較后第一個記錄保持位置不變,並得到一個n-1個元素的子記錄;第二趟經過n-2次比較,將第二個記錄定位在原來的位置上,並得到一個包括n-2個記錄的子文件,依次類推,這樣總的比較次數是:
示例代碼:
//a:待排序數組,low:最低位的下標,high:最高位的下標
void quickSort(int a[],int low, int high)
{
if(low>=high)
{
return;
}
int left=low;
int right=high;
int key=a[left]; /*用數組的第一個記錄作為分區元素*/
while(left!=right){
while(left<right&&a[right]>=key) /*從右向左掃描,找第一個碼值小於key的記錄,並交換到key*/
--right;
a[left]=a[right];
while(left<right&&a[left]<=key)
++left;
a[right]=a[left]; /*從左向右掃描,找第一個碼值大於key的記錄,並交換到右邊*/
}
a[left]=key; /*分區元素放到正確位置*/
quickSort(a,low,left-1);
quickSort(a,left+1,high);
}
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2.2插入類排序
插入排序的基本方法是:每步將一個待排序的記錄,按其排序碼大小,插到前面已經排序的文件中的適當位置,直到全部插入完為止。
2.2.1直接插入排序
原理:從待排序的n個記錄中的第二個記錄開始,依次與前面的記錄比較並尋找插入的位置,每次外循環結束后,將當前的數插入到合適的位置。
穩定性:穩定排序。
時間復雜度: O(n)至O(n2)。
最好情況:當待排序記錄已經有序,這時需要比較的次數是Cmin=n−1=O(n)。
最壞情況:如果待排序記錄為逆序,則最多的比較次數為Cmax=∑i=1n−1(i)=n(n−1)2=O(n2)。
示例代碼:
//A:輸入數組,len:數組長度
void insertSort(int A[],int len)
{
int temp;
for(int i=1;i<len;i++)
{
int j=i-1;
temp=A[i];
//查找到要插入的位置
while(j>=0&&A[j]>temp)
{
A[j+1]=A[j];
j--;
}
if(j!=i-1)
A[j+1]=temp;
}
}
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2.2.2 Shell排序
Shell 排序又稱縮小增量排序, 由D. L. Shell在1959年提出,是對直接插入排序的改進。
原理: Shell排序法是對相鄰指定距離(稱為增量)的元素進行比較,並不斷把增量縮小至1,完成排序。
Shell排序開始時增量較大,分組較多,每組的記錄數目較少,故在各組內采用直接插入排序較快,后來增量di分組排序,文件叫接近於有序狀態,所以新的一趟排序過程較快。因此Shell排序在效率上比直接插入排序有較大的改進。
在直接插入排序的基礎上,將直接插入排序中的1全部改變成增量d即可,因為Shell排序最后一輪的增量d就為1。
穩定性:不穩定排序。
時間復雜度:O(n1.3)。
對於增量的選擇,Shell 最初建議增量選擇為n/2,並且對增量取半直到 1;D. Knuth教授建議di+1=⌊di−13⌋序列。
//A:輸入數組,len:數組長度,d:初始增量(分組數)
void shellSort(int A[],int len, int d)
{
for(int inc=d;inc>0;inc/=2){ //循環的次數為增量縮小至1的次數
for(int i=inc;i<len;++i){ //循環的次數為第一個分組的第二個元素到數組的結束
int j=i-inc;
int temp=A[i];
while(j>=0&&A[j]>temp)
{
A[j+inc]=A[j];
j=j-inc;
}
if((j+inc)!=i)//防止自我插入
A[j+inc]=temp;//插入記錄
}
}
}
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注意:從代碼中可以看出,增量每次變化取前一次增量的一般,當增量d等於1時,shell排序就退化成了直接插入排序了。
2.3選擇類排序
選擇類排序的基本方法是:每步從待排序記錄中選出排序碼最小的記錄,順序放在已排序的記錄序列的后面,知道全部排完。
2.3.1簡單選擇排序(又稱直接選擇排序)
原理:從所有記錄中選出最小的一個數據元素與第一個位置的記錄交換;然后在剩下的記錄當中再找最小的與第二個位置的記錄交換,循環到只剩下最后一個數據元素為止。
穩定性:不穩定排序。
時間復雜度: 最壞、最好和平均復雜度均為O(n2)。
示例代碼:
void selectSort(int A[],int len)
{
int i,j,k;
for(i=0;i<len;i++){
k=i;
for(j=i+1;j<len;j++){
if(A[j]<A[k])
k=j;
}
if(i!=k){
A[i]=A[i]+A[k];
A[k]=A[i]-A[k];
A[i]=A[i]-A[k];
}
}
}
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2.3.2堆排序
直接選擇排序中,第一次選擇經過了n-1次比較,只是從排序碼序列中選出了一個最小的排序碼,而沒有保存其他中間比較結果。所以后一趟排序時又要重復許多比較操作,降低了效率。J. Willioms和Floyd在1964年提出了堆排序方法,避免這一缺點。
堆的性質:
(1)性質:完全二叉樹或者是近似完全二叉樹;
(2)分類:大頂堆:父節點不小於子節點鍵值,小頂堆:父節點不大於子節點鍵值;圖展示一個最小堆:
(3)左右孩子:沒有大小的順序。
(4)堆的存儲
一般都用數組來存儲堆,i結點的父結點下標就為(i–1)/2。如第0個結點左右子結點下標分別為1和2。
(5)堆的操作
建立:
以最小堆為例,如果以數組存儲元素時,一個數組具有對應的樹表示形式,但樹並不滿足堆的條件,需要重新排列元素,可以建立“堆化”的樹。
插入:
將一個新元素插入到表尾,即數組末尾時,如果新構成的二叉樹不滿足堆的性質,需要重新排列元素,下圖演示了插入15時,堆的調整。
刪除:
堆排序中,刪除一個元素總是發生在堆頂,因為堆頂的元素是最小的(小頂堆中)。表中最后一個元素用來填補空缺位置,結果樹被更新以滿足堆條件。
穩定性:不穩定排序。
插入代碼實現:
每次插入都是將新數據放在數組最后。可以發現從這個新數據的父結點到根結點必然為一個有序的數列,現在的任務是將這個新數據插入到這個有序數據中,這就類似於直接插入排序中將一個數據並入到有序區間中,這是節點“上浮”調整。不難寫出插入一個新數據時堆的調整代碼:
//新加入i結點,其父結點為(i-1)/2
//參數:a:數組,i:新插入元素在數組中的下標
void minHeapFixUp(int a[], int i)
{
int j, temp;
temp = a[i];
j = (i-1)/2; //父結點
while (j >= 0 && i != 0)
{
if (a[j] <= temp)//如果父節點不大於新插入的元素,停止尋找
break;
a[i]=a[j]; //把較大的子結點往下移動,替換它的子結點
i = j;
j = (i-1)/2;
}
a[i] = temp;
}
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因此,插入數據到最小堆時:
//在最小堆中加入新的數據data
//a:數組,index:插入的下標,
void minHeapAddNumber(int a[], int index, int data)
{
a[index] = data;
minHeapFixUp(a, index);
}
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刪除代碼實現:
按定義,堆中每次都只能刪除第0個數據。為了便於重建堆,實際的操作是將數組最后一個數據與根結點,然后再從根結點開始進行一次從上向下的調整。
調整時先在左右兒子結點中找最小的,如果父結點不大於這個最小的子結點說明不需要調整了,反之將最小的子節點換到父結點的位置。此時父節點實際上並不需要換到最小子節點的位置,因為這不是父節點的最終位置。但邏輯上父節點替換了最小的子節點,然后再考慮父節點對后面的結點的影響。相當於從根結點將一個數據的“下沉”過程。下面給出代碼:
//a為數組,從index節點開始調整,len為節點總數 從0開始計算index節點的子節點為 2*index+1, 2*index+2,len/2-1為最后一個非葉子節點
void minHeapFixDown(int a[],int len,int index){
if(index>(len/2-1))//index為葉子節點不用調整
return;
int tmp=a[index];
int lastIndex=index;
while(index<=(len/2-1)){ //當下沉到葉子節點時,就不用調整了
if(a[2*index+1]<tmp) //如果左子節點大於該節點
lastIndex = 2*index+1;
//如果存在右子節點且大於左子節點和該節點
if(2*index+2<len && a[2*index+2]<a[2*index+1]&& a[2*index+2]<tmp)
lastIndex = 2*index+2;
if(lastIndex!=index){ //如果左右子節點有一個小於該節點則設置該節點的下沉位置
a[index]=a[lastIndex];
index=lastIndex;
}else break; //否則該節點不用下沉調整
}
a[lastIndex]=tmp;//將該節點放到最后的位置
}
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根據思想,可以有不同版本的代碼實現,以上是和孫凜同學一起討論出的一個版本,在這里感謝他的參與,讀者可另行給出。個人體會,這里建議大家根據對堆調整的過程的理解,寫出自己的代碼,切勿看示例代碼去理解算法,而是理解算法思想寫出代碼,否則很快就會忘記。
建堆:
有了堆的插入和刪除后,再考慮下如何對一個數據進行堆化操作。要一個一個的從數組中取出數據來建立堆吧,不用!先看一個數組,如下圖:
很明顯,對葉子結點來說,可以認為它已經是一個合法的堆了即20,60, 65, 4, 49都分別是一個合法的堆。只要從A[4]=50開始向下調整就可以了。然后再取A[3]=30,A[2] = 17,A[1] = 12,A[0] = 9分別作一次向下調整操作就可以了。下圖展示了這些步驟:
寫出堆化數組的代碼:
//建立最小堆
//a:數組,n:數組長度
void makeMinHeap(int a[], int n)
{
for (int i = n/2-1; i >= 0; i--)
minHeapFixDown(a, i, n);
}
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(6)堆排序的實現
由於堆也是用數組來存儲的,故對數組進行堆化后,第一次將A[0]與A[n - 1]交換,再對A[0…n-2]重新恢復堆。第二次將A[0]與A[n – 2]交換,再對A[0…n - 3]重新恢復堆,重復這樣的操作直到A[0]與A[1]交換。由於每次都是將最小的數據並入到后面的有序區間,故操作完成后整個數組就有序了。有點類似於直接選擇排序。
因此,完成堆排序並沒有用到前面說明的插入操作,只用到了建堆和節點向下調整的操作,堆排序的操作如下:
//array:待排序數組,len:數組長度
void heapSort(int array[],int len){
//建堆
makeMinHeap(array, len);
//根節點和最后一個葉子節點交換,並進行堆調整,交換的次數為len-1次
for(int i=0;i<len-1;++i){
//根節點和最后一個葉子節點交換
array[0] += array[len-i-1];
array[len-i-1] = array[0]-array[len-i-1];
array[0] = array[0]-array[len-i-1];
//堆調整
minHeapFixDown(array, 0, len-i-1);
}
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(7)堆排序的性能分析
由於每次重新恢復堆的時間復雜度為O(logN),共N - 1次堆調整操作,再加上前面建立堆時N / 2次向下調整,每次調整時間復雜度也為O(logN)。兩次次操作時間相加還是O(N * logN)。故堆排序的時間復雜度為O(N * logN)。
最壞情況:如果待排序數組是有序的,仍然需要O(N * logN)復雜度的比較操作,只是少了移動的操作;
最好情況:如果待排序數組是逆序的,不僅需要O(N * logN)復雜度的比較操作,而且需要O(N * logN)復雜度的交換操作。總的時間復雜度還是O(N * logN)。
因此,堆排序和快速排序在效率上是差不多的,但是堆排序一般優於快速排序的重要一點是,數據的初始分布情況對堆排序的效率沒有大的影響。
2.4歸並排序
算法思想:
歸並排序屬於比較類非線性時間排序,號稱比較類排序中性能最佳者,在數據中應用中較廣。
歸並排序是分治法(Divide and Conquer)的一個典型的應用。將已有序的子序列合並,得到完全有序的序列;即先使每個子序列有序,再使子序列段間有序。若將兩個有序表合並成一個有序表,稱為二路歸並。
穩定性:穩定排序算法;
時間復雜度: 最壞,最好和平均時間復雜度都是Θ(nlgn)。
具體的實現見本人的另一篇blog:二路歸並排序簡介及其並行化。
2.5線性時間非比較類排序
2.5.1計數排序
計數排序是一個非基於比較的排序算法,該算法於1954年由 Harold H. Seward 提出,它的優勢在於在對於較小范圍內的整數排序。它的復雜度為Ο(n+k)(其中k是待排序數的范圍),快於任何比較排序算法,缺點就是非常消耗空間。很明顯,如果而且當O(k)>O(n*log(n))的時候其效率反而不如基於比較的排序,比如堆排序和歸並排序和快速排序。
算法原理:
基本思想是對於給定的輸入序列中的每一個元素x,確定該序列中值小於x的元素的個數。一旦有了這個信息,就可以將x直接存放到最終的輸出序列的正確位置上。例如,如果輸入序列中只有17個元素的值小於x的值,則x可以直接存放在輸出序列的第18個位置上。當然,如果有多個元素具有相同的值時,我們不能將這些元素放在輸出序列的同一個位置上,在代碼中作適當的修改即可。
算法步驟:
(1)找出待排序的數組中最大的元素;
(2)統計數組中每個值為i的元素出現的次數,存入數組C的第i項;
(3)對所有的計數累加(從C中的第一個元素開始,每一項和前一項相加);
(4)反向填充目標數組:將每個元素i放在新數組的第C(i)項,每放一個元素就將C(i)減去1。
時間復雜度:Ο(n+k)。
空間復雜度:Ο(k)。
要求:待排序數中最大數值不能太大。
穩定性:穩定。
代碼示例:
#define MAXNUM 20 //待排序數的最大個數
#define MAX 100 //待排序數的最大值
int sorted_arr[MAXNUM]={0};
//計算排序
//arr:待排序數組,sorted_arr:排好序的數組,n:待排序數組長度
void countSort(int *arr, int *sorted_arr, int n)
{
int i;
int *count_arr = (int *)malloc(sizeof(int) * (MAX+1));
//初始化計數數組
memset(count_arr,0,sizeof(int) * (MAX+1));
//統計i的次數
for(i = 0;i<n;i++)
count_arr[arr[i]]++;
//對所有的計數累加,作用是統計arr數組值和小於小於arr數組值出現的個數
for(i = 1; i<=MAX; i++)
count_arr[i] += count_arr[i-1];
//逆向遍歷源數組(保證穩定性),根據計數數組中對應的值填充到新的數組中
for(i = n-1; i>=0; i--)
{
//count_arr[arr[i]]表示arr數組中包括arr[i]和小於arr[i]的總數
sorted_arr[count_arr[arr[i]]-1] = arr[i];
//如果arr數組中有相同的數,arr[i]的下標減一
count_arr[arr[i]]--;
}
free(count_arr);
}
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注意:計數排序是典型的以空間換時間的排序算法,對待排序的數據有嚴格的要求,比如待排序的數值中包含負數,最大值都有限制,請謹慎使用。
2.5.2基數排序
基數排序屬於“分配式排序”(distribution sort),是非比較類線性時間排序的一種,又稱“桶子法”(bucket sort)。顧名思義,它是透過鍵值的部分信息,將要排序的元素分配至某些“桶”中,藉以達到排序的作用。
具體描述即代碼示例見本人另一篇blog:基數排序簡介及其並行化。
2.5.3桶排序
桶排序也是分配排序的一種,但其是基於比較排序的,這也是與基數排序最大的區別所在。
思想:桶排序算法想法類似於散列表。首先要假設待排序的元素輸入符合某種均勻分布,例如數據均勻分布在[ 0,1)區間上,則可將此區間划分為10個小區間,稱為桶,對散布到同一個桶中的元素再排序。
要求:待排序數長度一致。
排序過程:
(1)設置一個定量的數組當作空桶子;
(2)尋訪序列,並且把記錄一個一個放到對應的桶子去;
(3)對每個不是空的桶子進行排序。
(4)從不是空的桶子里把項目再放回原來的序列中。
例如待排序列K= {49、 38 、 35、 97 、 76、 73 、 27、 49 }。這些數據全部在1—100之間。因此我們定制10個桶,然后確定映射函數f(k)=k/10。則第一個關鍵字49將定位到第4個桶中(49/10=4)。依次將所有關鍵字全部堆入桶中,並在每個非空的桶中進行快速排序。
時間復雜度:
對N個關鍵字進行桶排序的時間復雜度分為兩個部分:
(1) 循環計算每個關鍵字的桶映射函數,這個時間復雜度是O(N)。
(2) 利用先進的比較排序算法對每個桶內的所有數據進行排序,對於N個待排數據,M個桶,平均每個桶[N/M]個數據,則桶內排序的時間復雜度為 ∑i=1MO(Ni∗logNi)=O(N∗logNM) 為第i個桶的數據量。
因此,平均時間復雜度為線性的O(N+C),C為桶內排序所花費的時間。當每個桶只有一個數,則最好的時間復雜度為:O(N)。
示例代碼:
typedef struct node
{
int keyNum;//桶中數的數量
int key; //存儲的元素
struct node * next;
}KeyNode;
//keys待排序數組,size數組長度,bucket_size桶的數量
void inc_sort(int keys[],int size,int bucket_size)
{
KeyNode* k=(KeyNode *)malloc(sizeof(KeyNode)); //用於控制打印
int i,j,b;
KeyNode **bucket_table=(KeyNode **)malloc(bucket_size*sizeof(KeyNode *));
for(i=0;i<bucket_size;i++)
{
bucket_table[i]=(KeyNode *)malloc(sizeof(KeyNode));
bucket_table[i]->keyNum=0;//記錄當前桶中是否有數據
bucket_table[i]->key=0; //記錄當前桶中的數據
bucket_table[i]->next=NULL;
}
for(j=0;j<size;j++)
{
int index;
KeyNode *p;
KeyNode *node=(KeyNode *)malloc(sizeof(KeyNode));
node->key=keys[j];
node->next=NULL;
index=keys[j]/10; //映射函數計算桶號
p=bucket_table[index]; //初始化P成為桶中數據鏈表的頭指針
if(p->keyNum==0)//該桶中還沒有數據
{
bucket_table[index]->next=node;
(bucket_table[index]->keyNum)++; //桶的頭結點記錄桶內元素各數,此處加一
}
else//該桶中已有數據
{
//鏈表結構的插入排序
while(p->next!=NULL&&p->next->key<=node->key)
p=p->next;
node->next=p->next;
p->next=node;
(bucket_table[index]->keyNum)++;
}
}
//打印結果
for(b=0;b<bucket_size;b++)
//判斷條件是跳過桶的頭結點,桶的下個節點為元素節點不為空
for(k=bucket_table[b];k->next!=NULL;k=k->next)
{
printf("%d ",k->next->key);
}
}
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參考文獻
[1]計數排序、桶排序和基數排序.http://blog.csdn.net/quietwave/article/details/8008572
[2] 白話經典算法系列之六 快速排序 快速搞定.http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/6684558
[3]白話經典算法系列之七 堆與堆排序.http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/6709644
[4]算法與數據結構——C語言描述(第二版).張乃孝
[5]計數排序.百度百科