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13 排序:经典排序算法原理解析与优劣对比

前面课时中,我们学习了分治法的思想,以及二分查找的实现方法。我们讲到,二分查找要求原数组必须有序。其实,由无序到有序,这是算法领域最常见的一类问题,即排序问题。本课时,我们就来学习 4 种常见的排序算法,包括冒泡排序、插入排序、归并排序以及快速排序。此外,我们还会对这 4 种排序算法的优劣势进行详细地对比分析。

什么是排序问题

排序,就是让一组无序数据变成有序的过程。 一般默认这里的有序都是从小到大的排列顺序。下面我们先来讲讲,如何判断不同的排序算法的优劣。

衡量一个排序算法的优劣,我们主要会从以下 3 个角度进行分析:

1.时间复杂度,具体包括,最好时间复杂度、最坏时间复杂度以及平均时间复杂度。

2.空间复杂度,如果空间复杂度为 1,也叫作原地排序。

3.稳定性,排序的稳定性是指相等的数据对象,在排序之后,顺序是否能保证不变。

常见的排序算法及其思想

接下来,我们就开始详细地介绍一些经典的排序算法。

冒泡排序

1、冒泡排序的原理

从第一个数据开始,依次比较相邻元素的大小。如果前者大于后者,则进行交换操作,把大的元素往后交换。通过多轮迭代,直到没有交换操作为止。 冒泡排序就像是在一个水池中处理数据一样,每次会把最大的那个数据传递到最后。

动画1.gif

2、冒泡排序的性能

冒泡排序最好时间复杂度是 O(n),也就是当输入数组刚好是顺序的时候,只需要挨个比较一遍就行了,不需要做交换操作,所以时间复杂度为 O(n)。

冒泡排序最坏时间复杂度会比较惨,是 O(n*n)。也就是说当数组刚好是完全逆序的时候,每轮排序都需要挨个比较 n 次,并且重复 n 次,所以时间复杂度为 O(n*n)。

很显然,当输入数组杂乱无章时,它的平均时间复杂度也是 O(n*n)

冒泡排序不需要额外的空间,所以空间复杂度是 O(1)。冒泡排序过程中,当元素相同时不做交换,所以冒泡排序是稳定的排序算法。代码如下:

public static void main(String[] args) {
	int[] arr = { 1, 0, 3, 4, 5, -6, 7, 8, 9, 10 };
	System.out.println("原始数据: " + Arrays.toString(arr));
	for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
		for (int j = 0; j < arr.length - i; j++) {
			if (arr[j] > arr[j + 1]) {
				int temp = arr[j];
				arr[j] = arr[j + 1];
				arr[j + 1] = temp;
			} 
		}
	}
	System.out.println("冒泡排序: " + Arrays.toString(arr));
}

插入排序

1、插入排序的原理

选取未排序的元素,插入到已排序区间的合适位置,直到未排序区间为空。插入排序顾名思义,就是从左到右维护一个已经排好序的序列。直到所有的待排数据全都完成插入的动作。

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2、插入排序的性能

插入排序最好时间复杂度是 O(n),即当数组刚好是完全顺序时,每次只用比较一次就能找到正确的位置。这个过程重复 n 次,就可以清空未排序区间。

插入排序最坏时间复杂度则需要 O(n*n)。即当数组刚好是完全逆序时,每次都要比较 n 次才能找到正确位置。这个过程重复 n 次,就可以清空未排序区间,所以最坏时间复杂度为 O(n*n)。

插入排序的平均时间复杂度是 O(n*n)。这是因为往数组中插入一个元素的平均时间复杂度为 O(n),而插入排序可以理解为重复 n 次的数组插入操作,所以平均时间复杂度为 O(n*n)。

插入排序不需要开辟额外的空间,所以空间复杂度是 O(1)

根据上面的例子可以发现,插入排序是稳定的排序算法。代码如下:

public static void main(String[] args) {
	int[] arr = { 2, 3, 5, 1, 23, 6, 78, 34 };
	System.out.println("原始数据: " + Arrays.toString(arr));
	for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
		int temp = arr[i];
		int j = i - 1;
		for (; j >= 0; j--) {
			if (arr[j] > temp) {
				arr[j + 1] = arr[j];
			} else {
				break;
			}
		}
		arr[j + 1] = temp;
	}
	System.out.println("插入排序: " + Arrays.toString(arr));	
}

小结:插入排序和冒泡排序算法的异同点

接下来我们来比较一下上面这两种排序算法的异同点:

相同点

  • 插入排序和冒泡排序的平均时间复杂度都是 O(n*n),且都是稳定的排序算法,都属于原地排序。

差异点

  • 冒泡排序每轮的交换操作是动态的,所以需要三个赋值操作才能完成;
  • 而插入排序每轮的交换动作会固定待插入的数据,因此只需要一步赋值操作。

以上两种排序算法都比较简单,通过这两种算法可以帮助我们对排序的思想建立基本的了解,接下来再介绍一些时间复杂度更低的排序算法,它们的时间复杂度都可以达到 O(nlogn)。

归并排序

1、归并排序的原理

归并排序的原理其实就是我们上一课时讲的分治法。它首先将数组不断地二分,直到最后每个部分只包含 1 个数据。然后再对每个部分分别进行排序,最后将排序好的相邻的两部分合并在一起,这样整个数组就有序了。

动画3.gif

代码如下:

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = { 49, 38, 65, 97, 76, 13, 27, 50 };
    int[] tmp = new int[arr.length];
    System.out.println("原始数据: " + Arrays.toString(arr));
    customMergeSort(arr, tmp, 0, arr.length - 1);
    System.out.println("归并排序: " + Arrays.toString(arr));
}

public static void customMergeSort(int[] a, int[] tmp, int start, int end) {
    if (start < end) {
        int mid = (start + end) / 2;
        // 对左侧子序列进行递归排序
        customMergeSort(a, tmp, start, mid);
        // 对右侧子序列进行递归排序
        customMergeSort(a, tmp,mid + 1, end);
        // 合并
        customDoubleMerge(a, tmp, start, mid, end);
    }
}

public static void customDoubleMerge(int[] a, int[] tmp, int left, int mid, int right) {
    int p1 = left, p2 = mid + 1, k = left;
    while (p1 <= mid && p2 <= right) {
        if (a[p1] <= a[p2])
            tmp[k++] = a[p1++];
        else
            tmp[k++] = a[p2++];
    }
    while (p1 <= mid)
        tmp[k++] = a[p1++];
    while (p2 <= right)
        tmp[k++] = a[p2++];
    // 复制回原素组
    for (int i = left; i <= right; i++)
        a[i] = tmp[i];

2、归并排序的性能

对于归并排序,它采用了二分的迭代方式,复杂度是 logn

每次的迭代,需要对两个有序数组进行合并,这样的动作在 O(n) 的时间复杂度下就可以完成。因此,归并排序的复杂度就是二者的乘积 O(nlogn)。同时,它的执行频次与输入序列无关,因此,归并排序最好、最坏、平均时间复杂度都是 O(nlogn)

空间复杂度方面,由于每次合并的操作都需要开辟基于数组的临时内存空间,所以空间复杂度为 O(n)。归并排序合并的时候,相同元素的前后顺序不变,所以归并是稳定的排序算法

快速排序

1、快速排序法的原理

快速排序法的原理也是分治法。它的每轮迭代,会选取数组中任意一个数据作为分区点,将小于它的元素放在它的左侧,大于它的放在它的右侧。再利用分治思想,继续分别对左右两侧进行同样的操作,直至每个区间缩小为 1,则完成排序。

动画4.gif

代码参考:

public static void main(String[] args) {
	int[] arr = { 6, 1, 2, 7, 9, 11, 4, 5, 10, 8 };
	System.out.println("原始数据: " + Arrays.toString(arr));
	customQuickSort(arr, 0, arr.length - 1);
	System.out.println("快速排序: " + Arrays.toString(arr));
}

public void customQuickSort(int[] arr, int low, int high) {
	int i, j, temp, t;
	if (low >= high) {
		return;
	}

	i = low;
	j = high;
	temp = arr[low];
	while (i < j) {
		// 先看右边,依次往左递减
		while (temp <= arr[j] && i < j) {
			j--;
		}
		// 再看左边,依次往右递增
		while (temp >= arr[i] && i < j) {
			i++;
		}
		t = arr[j];
		arr[j] = arr[i];
		arr[i] = t;
	}
	arr[low] = arr[i];
	arr[i] = temp;
	// 递归调用左半数组
	customQuickSort(arr, low, j - 1);
	// 递归调用右半数组
	customQuickSort(arr, j + 1, high);
}

2、快速排序法的性能

在快排的最好时间的复杂度下,如果每次选取分区点时,都能选中中位数,把数组等分成两个,那么此时的时间复杂度和归并一样,都是 O(n*logn)

而在最坏的时间复杂度下,也就是如果每次分区都选中了最小值或最大值,得到不均等的两组。那么就需要 n 次的分区操作,每次分区平均扫描 n / 2 个元素,此时时间复杂度就退化为 O(n*n) 了

快速排序法在大部分情况下,统计上是很难选到极端情况的。因此它平均的时间复杂度是 O(n*logn)

快速排序法的空间方面,使用了交换法,因此空间复杂度为 O(1)

很显然,快速排序的分区过程涉及交换操作,所以快排是不稳定的排序算法

排序算法的性能分析

我们先思考一下排序算法性能的下限,也就是最差的情况。在前面的课程中,我们写过求数组最大值的代码,它的时间复杂度是 O(n)。对于 n 个元素的数组,只要重复执行 n 次最大值的查找就能完成排序。因此排序最暴力的方法,时间复杂度是 O(n*n)。这恰如冒泡排序和插入排序

当我们利用算法思维去解决问题时,就会想到尝试分治法。此时,利用归并排序就能让时间复杂度降低到 O(nlogn)。然而,归并排序需要额外开辟临时空间。一方面是为了保证稳定性,另一方面则是在归并时,由于在数组中插入元素导致了数据挪移的问题。

为了规避因此而带来的时间损耗,此时我们采用快速排序。通过交换操作,可以解决插入元素导致的数据挪移问题,而且降低了不必要的空间开销。但是由于其动态二分的交换数据,导致了由此得出的排序结果并不稳定。

总结

本课时我们讲了4 种常见的排序算法,包括冒泡排序、插入排序、归并排序以及快速排序。这些经典算法没有绝对的好和坏,它们各有利弊。在工作过程中,需要你根据实际问题的情况来选择最优的排序算法。

如果对数据规模比较小的数据进行排序,可以选择时间复杂度为 O(n*n) 的排序算法。因为当数据规模小的时候,时间复杂度 O(nlogn) 和 O(n*n) 的区别很小,它们之间仅仅相差几十毫秒,因此对实际的性能影响并不大。

但对数据规模比较大的数据进行排序,就需要选择时间复杂度为 O(nlogn) 的排序算法了

  • 归并排序的空间复杂度为 O(n),也就意味着当排序 100M 的数据,就需要 200M 的空间,所以对空间资源消耗会很多。
  • 快速排序在平均时间复杂度为 O(nlogn),但是如果分区点选择不好的话,最坏的时间复杂度也有可能逼近 O(n*n)。而且快速排序不具备稳定性,这也需要看你所面对的问题是否有稳定性的需求。