发布时间:2022-08-18 18:57
目录
1.排序的概念及其运用
1.1排序的概念
1.2排序的运用
1.3常见的排序算法
2.常见的排序算法
2.1插入排序
2.1.1直接插入排序
2.1.2希尔排序
2.2选择排序
2.2.1直接选择排序
2.2.2堆排序
2.3交换排序
2.3.1冒泡排序
2.3.2快速排序
2.3.2.1Hoare
2.3.2.2挖坑法
2.3.2.3双指针法
2.4归并排序
2.4.1递归实现归并排序
2.4.2迭代实现归并排序
2.5计数排序
3.八大排序对比
3.1性能测试评估
3.2排序算法复杂度及稳定性分析
排序:所谓排序,就是使一串记录,按照其中的某个或某些关键字的大小,递增或递减的排列起来的操作。
稳定性: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。
内部排序:数据元素全部放在内存中的排序。
外部排序:数据元素太多不能同时放在内存中,根据排序过程的要求不能在内外存之间移动数据的排序。
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交换函数,后面会用到
void Swap(int* p, int* q)
{
int tmp = *p;
*p = *q;
*q = tmp;
}
基本思想
把待排序的记录按其关键码值的大小逐个插入到一个已经排好序的有序序列中,直到所有的记录插入完为止,得到一个新的有序序列 。比如我们过年和亲朋好友一起打扑克牌的时候,把牌理好的过程中就使用了插入排序的方法。
当插入第i(i>=1)个元素时,前面的array[0],array[1],…,array[i-1]已经排好序,此时用array[i]的排序码与array[i-1],array[i-2],…的排序码顺序进行比较,找到插入位置即将array[i]插入,原来位置上的元素顺序后移。
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代码实现
//直接插入排序
void InsertSort(int* a, int n) {
assert(a);
for (int i = 0; i < n - 1 ; i++){
//end表示排好序的尾标
int end = i;
//保存要排序的数,不然会被覆盖
int tmp = a[end + 1];
//只要坐标end的数大于end+1的数,那么end的数就要向后移动一位
while (end >= 0) {
if (tmp < a[end]) {
a[end + 1] = a[end];
--end;
}
else
break;
}
//不管是end<0退出,还是a[end+1]>a[end]退出,a[end+1]的值都要放到end的后一个位置上
a[end + 1] = tmp;
}
}
复杂度分析
最好的情况是排序的表本身有序,数组中每个元素都与前一个比较一次,而且不用移动,时间复杂度是O(N),最坏的情况是待排序表是逆序的,比较和移动都到达最大值,时间复杂度是O(N^2)。只需要一个辅助空间,所以空间复杂度是O(1)。
基本思想
希尔排序(ShellSort)又称为“缩小增量排序”。是1959年由D.L.Shell提出来的。该方法的基本思想是:先将整个待排元素序列分割成若干个子序列(由相隔某个“增量”的元素组成的)分别进行直接插入排序,然后依次缩减增量再进行排序,待整个序列中的元素基本有序(增量足够小)时,再对全体元素进行一次直接插入排序。因为直接插入排序在元素基本有序的情况下(接近最好情况),效率是很高的,因此希尔排序在时间效率上比前两种方法有较大提高。
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希尔排序的特性
1. 希尔排序是对直接插入排序的优化。
2. 当gap > 1时都是预排序,目的是让数组更接近于有序。当gap == 1时,数组已经接近有序的了,这样就会很快。这样整体而言,可以达到优化的效果。
3. 希尔排序的时间复杂度不好计算,因为gap的取值方法很多,导致很难去计算,因此希尔排序的时间复杂度都不固定:
代码实现
//希尔排序
void ShellSort(int* a, int n) {
int gap = n;
//gap始终大于等于,大于1为预排序
while (gap > 1) {
//每一趟预排序的gap都不一样,gap会越来越小
gap /= 3 + 1;
for (int i = 0; i < n - gap; i++)
{
int end = i;
int tmp = a[end + gap];
while (end >= 0 && a[end] > tmp) {
//只要坐标end的数大于end + gap的数,那么end的数就要向后移动gap位
a[end + gap] = a[end];
end -= gap;
}
a[end + gap] = tmp;
}
}
}
复杂度分析
究竟应该选取什么样的增量才是最好的,目前还是一个数学难题,迄今为止还没人找到一种最好的增量序列,导致时间复杂度很难去计算,因此在很多书中给出的希尔排序的时间复杂度都不固定。
下面从两本经典的数据结构书籍中截取了两段对复杂度的描述。《数据结构(C语言版)》— 严蔚敏
《数据结构-用面相对象方法与C++描述》— 殷人昆
每一次从待排序的数据元素中选出最小(或最大)的一个元素,存放在序列的起始位置,直到全部待排序的数据元素排完 。
基本思想
在元素集合array[i]--array[n-1]中选择关键码最大(小)的数据元素,若它不是这组元素中的最后一个(第一个)元素,则将它与这组元素中的最后一个(第一个)元素交换,在剩余的array[i]--array[n-2](array[i+1]--array[n-1])集合中,重复上述步骤,直到集合剩余1个元素
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代码实现
void SelectSort(int* a, int n) {
for (int i = 1; i < n; i++) {
//将第一个小标定义为最小值的下标
int min = i - 1;
for (int j = i; j < n; j++) {
//如果后面有小于最小值的关键字,就交换下标
if (a[j] < a[min]) {
min = j;
}
}
//min != i-1,说明找到最小值,交换
if (min != i - 1) {
Swap(&a[min], &a[i - 1]);
}
}
}
复杂度分析
无论最好还是最坏的情况,其比较的次数都是一样的多,第i趟排序需要进行n-i次关键字的比较,所以总共需要比较1/2*n(n-1)次,最好的时候交换0次,最差的时候交换n-1次,最终时间复杂度为O(N^2),空间复杂度是O(1),可以看出选择排序效率很差,实际中很少用。
基本思想
利用堆积树(堆)这种数据结构所设计的一种排序算法,它是选择排序的一种。它是通过堆来进行选择数据。需要注意的是排升序要建大堆,排降序建小堆。
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代码实现
void AdjustDwon(int* a, int n, int root) {
int parent = root;
int child = parent * 2 + 1;
while (child < n) {
if (child + 1 < n && a[child] < a[child + 1]) {
child++;
}
if (a[child] > a[parent]) {
Swap(&a[child], &a[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
break;
}
}
void HeapSort(int* a, int n) {
for (int i = (n - 2) / 2; i >= 0; i--) {
AdjustDwon(a, n, i);
}
//把堆顶的数据和堆尾的数据进行交换,在进行向下调整成大堆,不过堆尾的数据不进行调整,再把堆顶数
//据和堆尾数据进行交换,然后以此类推。
int end = n ;
while (--end > 0) {
Swap(&a[0], &a[end]);
AdjustDwon(a, end, 0);
}
}
复杂度分析
在正式排序时,第i次取堆顶记录重建堆需要用O(nlogi)的时间(完全二叉树的某个节点到根节点的距离为[log2^k]+1,并且需要取n-1次堆顶记录,因此,重建堆的时间复杂度为O(nlogn),所以总体来说,堆排序时间复杂度为O(nlogn),空间复杂度为O(1)。
所谓交换,就是根据序列中两个记录键值的比较结果来对换这两个记录在序列中的位置,交换排
序的特点是:将键值较大的记录向序列的尾部移动,键值较小的记录向序列的前部移动。
基本思想
两两比较相邻记录的关键字,如果反序就交换,直到没有反序的记录为止
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代码实现
void BubbleSort(int* a, int n) {
for (int i = 1; i < n; i++) {
int flag = 0;
for (int j = n - 1; j >= i; j--) { //j是从后往前循环
if (a[j] < a[j - 1]) {
//若后面的数比前一个小,就交换,每一趟都会把小的数往前挪
Swap(&a[j], &a[j - 1]);
flag = 1;
}
}
if (flag == 0) //若flag==0,说明这一轮没有发生交换,数组已经有序了,直接退出
break;
}
}
复杂度分析
最好的情况,也就是待排序表本身就是有序的,那么需要比较n-1次,没有数据交换,时间复杂度为O(n),最坏的情况就是待排序表是逆序的,需要比较1+2+3+...+(n-1)=1/2*n(n-1)次,因此时间复杂度为O(N^2),空间复杂度为O(1)。
基本思想
分别使用左右两个指针指向待排序数组的头和尾,再选出一个key值,一般把第一个元素作为key值,右指针向左移动,找到比key值小的元素停下来,然后左指针向右移动,找到比key值大的元素停下来,然后交换左右指针指向的元素,继续上述步骤,直到两指针相遇,将key下标的值与相遇处的值交换。
注意:
· 如果我们取头值作为我们的key值,那么我们一定要让右指针先移动
· 如果我们取尾值作为我们的key值,那么我们一定要让左指针先移动
排序算法 |
平均时间复杂度 |
最坏时间复杂度 |
最好时间复杂度 |
空间复杂度 |
稳定性 |
冒泡排序 |
O(n²) |
O(n²) |
O(n) |
O(1) |
稳定 |
简单选择排序 |
O(n²) |
O(n²) |
O(n) |
O(1) |
不稳定 |
直接插入排序 |
O(n²) |
O(n²) |
O(n) |
O(1) |
稳定 |
快速排序 |
O(nlogn) |
O(n²) |
O(nlogn) |
O(nlogn) |
不稳定 |
堆排序 |
O(nlogn) |
O(nlogn) |
O(nlogn) |
O(1) |
不稳定 |
希尔排序 |
O(nlogn) |
O(ns) |
O(n) |
O(1) |
不稳定 |
归并排序 |
O(nlogn) |
O(nlogn) |
O(nlogn) |
O(n) |
稳定 |
计数排序 |
O(n+k) |
O(n+k) |
O(n+k) |
O(n+k) |
稳定 |
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