【数据结构】Java实现各类经典排序算法——快速排序、归并排序

本文详细介绍了快速排序和归并排序这两种经典的分治法排序算法。快速排序通过选取中枢点并将其放置在一个合适的位置来实现排序,而归并排序则是通过递归将数组分为越来越小的部分再合并。文章还提供了具体的Java实现代码,并分析了两种算法的时间复杂度、空间复杂度及稳定性。

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快速排序和归并排序,两种算法都是分治法的经典表现,递归形式写起来也水到渠成。

一、快速排序

    快速排序的递归程序主要分三部分:驱动程序、递归主程序、中枢点(pivot)选取。前两部分用来实现快排的中心思想,把中枢点放到某个位置,使得该位置左侧元素均不大于中枢元素,右侧元素均不小于右侧元素。算法属于就地排序,通过交换元素在数组中的位置来进行。

    中枢点的选取,主要会在原始数组不完全随机的情况下,影响算法的最坏时间复杂度。最流行的办法是选取当前排序子数组的第一个元素作为中枢点,这在原始数组随机的情况下当然无所谓。但很多情况下,待排序数组是部分有序甚至“基本有序”的,这种选取办法就会导致最坏时间复杂度O(n2)的产生。

    降低最坏时间复杂度情形发生概率的常用办法:三点均值法,取子数组首元素、尾元素和中间元素大小排中间的元素作为中枢点。以下的实现程序就是采取的这种方案:

public void quickSort(int[] nums) {
        // 快速排序驱动程序
        quickSort(nums, 0, nums.length - 1);
    }
    
    public void quickSort(int[] nums, int head, int tail) {
        if(head < tail) {
            int pivot = choosePivot(nums, head, tail);
            swap(nums, pivot, tail);
            int left = head;
            int right = tail;
            while(left < right) {
                while(left < right && nums[left] <= nums[tail]) {
                    left++;
                }
                while(left < right && nums[right] >= nums[tail]) {
                    right--;
                }
                if(left < right) {
                    swap(nums, left, right);
                    left++;
                }
            }
            swap(nums, left, tail);
            quickSort(nums, head, left - 1);
            quickSort(nums, left + 1, tail);
        }
    }
    
    public int choosePivot(int[] nums, int head, int tail) {
        // 快速排序-取第一个元素为中枢点
        // return head;
        
        // 快速排序-三数平均中枢点
        int mid = (head + tail) / 2;
        if(nums[mid] >= nums[head]) {
            if(nums[mid] <= nums[tail]) {
                return mid;
            } else {
                if(nums[head] <= nums[tail]) {
                    return tail;
                } else {
                    return head;
                }
            }
        } else {
            if(nums[mid] >= nums[tail]) {
                return mid;
            } else {
                if(nums[head] <= nums[tail]) {
                    return head;
                } else {
                    return tail;
                }
            }
        }
    }

    算法时间复杂度:最好情形O(nlogn)、最坏O(n2)、平均O(nlogn),最坏发生在每次选取的中枢均为边界点(最大或最小)时;空间复杂度:算法为就地排序,但递归过程中栈会消耗O(logn)的存储空间,因此空间复杂度为O(logn);稳定性:假设数组为[6, 6, 3, 5],取最末为中枢,则左边一个6会在排序过程中与3交换,因此不稳定。


二、归并排序

    归并排序的依据是,把两个分别有序的子数组进行合并,让合并数组有序的时间复杂度是O(n)。在此基础上递归,直到子数组大小为1时自动有序即可。

    代码实现还是比较容易的,唯一需要注意的地方是,在驱动程序里创建唯一的缓存数组,供各个递归子程序在缓存数组不同位置上缓存数据,避免递归地创建新数组。否则递归程序中同时存在好几个数组,会增大空间的消耗。

    public void mergeSort(int[] nums) {
        // 归并排序驱动程序
        int length = nums.length;
        mergeSort(nums, new int[length], 0, length - 1);
    }
    
    public void mergeSort(int[] nums, int[] tmp, int head, int tail) {
        if(head < tail) {
            int h1 = head;
            int t1 = (tail + head) / 2;
            int h2 = t1 + 1;
            int t2 = tail;
            
            mergeSort(nums, tmp, h1, t1);
            mergeSort(nums, tmp, h2, t2);
            
            int cur = head;  
            while(h1 <= t1 && h2 <= t2) {
                if(nums[h1] <= nums[h2]) {
                    tmp[cur++] = nums[h1++];
                } else {
                    tmp[cur++] = nums[h2++];
                }
            }
            while(h1 <= t1) {
                tmp[cur++] = nums[h1++];
            }
            while(h2 <= t2) {
                tmp[cur++] = nums[h2++];
            }
            for(int i = head; i <= tail; i++) {
                nums[i] = tmp[i];
            }
        }
    }
    算法时间复杂度:快排要每次“恰好”二分需要看运气,归并则每次都恰好二分,因此最好、最坏、平均时间复杂度均为O(nlogn);空间复杂度:统一使用的缓存数组大小为n,因此为O(n);稳定性:显然稳定。
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