常用排序算法分析总结

最近翻看了数据结构与算法有关书籍，总结了八种常用的排序算法，在这里跟大家一起分析总结：

1.简单选择排序

常用于取序列中最大最小的几个数时。

(如果每次比较都交换，那么就是交换排序；如果每次比较完一个循环再交换，就是简单选择排序。)

遍历整个序列，将最小的数放在最前面。

遍历剩下的序列，将最小的数放在最前面。

重复第二步，直到只剩下一个数。

具体代码：

 //简单选择排序
    public void selectSort( int [] a ){
        int len=a.length;

        for(int i=0;i<len;i++){                   //循环次数
            int value=a[i];
            int position=i;
            for(int j=i+1;j<len;j++){            //找到最小的值和位置
                if(a[j]<value){
                    value=a[j];
                    position=j;                  //记录最小值产生的位置，以便交换
                }
            }
            a[position]=a[i];                    //进行交换
            a[i]=value;
        }
    }

2.直接插入排序

直接插入排序（Straight Insertion Sorting）的基本思想：在要排序的一组数中，假设前面(n-1) [n>=2] 个数已经是排好顺序的，现在要把第n个数插到前面的有序数中，使得这n个数也是排好顺序的。如此反复循环，直到全部排好顺序。

首先设定插入次数，即循环次数，for(int i=1;i<length;i++)，1个数的那次不用插入。

设定插入数和得到已经排好序列的最后一个数的位数。insertNum和j=i-1。

从最后一个数开始向前循环，如果插入数小于当前数，就将当前数向后移动一位。

将当前数放置到空着的位置，即j+1。

具体代码：

 //插入排序
    public void insertSort(int [] src){
        int insertNum;       //要插入的数
        for(int i = 1; i<src.length ; i++){
            insertNum = src[i];
            int j = i-1;
            while(j>=0 && src[j]> insertNum){
                src[j+1] = src[j];                   //要插入的那个数的原空间空余，这里可以用来向后移动
                j--;
            }
            src[j+1] = insertNum;                 //找到位置插入当前元素
        }
    }

3.希尔排序

希尔排序(Shell’s Sort)是插入排序的一种，是直接插入排序算法的一种更高版本的改进版本。

1. 把记录按步长gap分组，对每组记录采用直接插入排序方法进行排序；
2. 随着步长逐渐减小，所分成的组包含的记录越来越多；
   当步长值减小到1时，整个数据合成一组，构成一组有序记录，完成排序；

如图：

具体代码：

 //希尔排序
    public static void shellSort(int [] src){
        //定义步长step

        for(int step = src.length/2 ;step > 0 ; step = step/2){ //步长每次缩小为 步长/2 直到步长<=0为止

            for(int i = step ; i<src.length ; i++){            //控制遍历区间右侧元素
                int values = src[i];
                int j;
                for(j = i - step ; j>=0 && src[j]>src[j+step] ; j-=step){  //控制遍历区间左侧元素

                    src[j+step] = src[j];                                  //如果左侧元素大于右侧元素则将两元素进行交换

                }
                src[j+step] = values;                                      //此时的src[j+step]的值为区间左侧元素的值，因为for循环中执行了j-=step
            }
        }
 }

4.冒泡排序

冒泡排序应该是我们比较熟悉的一种排序算法了：

将序列中所有元素两两比较，将大的数向后冒，小的数向前跑。

将剩余序列中所有元素两两比较，将大的数向后冒，小的数向前跑。

重复第二步，直到只剩下一个数。

具体代码：

 //冒泡排序

    public  void maoPaoSort(int [] src){
        int n;
        boolean flag = true;                        //flag用来确定是否还要继续循环
        while(flag){
            flag = false;
            for(int i =0 ; i+1<src.length ; i++ ){
                if(src[i]>src[i+1]){                //若相邻两值前者大于后者，则交换位置
                    n = src[i];
                    src[i] = src[i+1];
                    src[i+1] = n;
                    flag = true;
                }
            }
        }
    }

5.快速排序

假设我们现在对“6 1 2 7 9 3 4 5 10 8”这个10个数进行排序。首先在这个序列中随便找一个数作为基准数。为了方便，就让第一个数6作为基准数吧。接下来，需要将这个序列中所有比基准数大的数放在6的右边，比基准数小的数放在6的左边，类似下面这种排列：

3 1 2 5 4 6 9 7 10 8

在初始状态下，数字6在序列的第1位。我们的目标是将6挪到序列中间的某个位置，假设这个位置是k。现在就需要寻找这个k，并且以第k位为分界点，左边的数都小于等于6，右边的数都大于等于6。想一想，有办法可以做到这点吗？

方法其实很简单：分别从初始序列“6 1 2 7 9 3 4 5 10 8”两端开始“探测”。先从右往左找一个小于6的数，再从左往右找一个大于6的数，然后交换他们。这里可以用两个变量i和j，分别指向序列最左边和最右边。我们为这两个变量起个好听的名字“哨兵i”和“哨兵j”。刚开始的时候让哨兵i指向序列的最左边（即i=1），指向数字6。让哨兵j指向序列的最右边（即=10），指向数字。

首先哨兵j开始出动。因为此处设置的基准数是最左边的数，所以需要让哨兵j先出动，这一点非常重要（请自己想一想为什么）。哨兵j一步一步地向左挪动（即j–），直到找到一个小于6的数停下来。接下来哨兵i再一步一步向右挪动（即i++），直到找到一个数大于6的数停下来。最后哨兵j停在了数字5面前，哨兵i停在了数字7面前。


现在交换哨兵i和哨兵j所指向的元素的值。交换之后的序列如下：

6 1 2 5 9 3 4 7 10 8


到此，第一次交换结束。接下来开始哨兵j继续向左挪动（再友情提醒，每次必须是哨兵j先出发）。他发现了4（比基准数6要小，满足要求）之后停了下来。哨兵i也继续向右挪动的，他发现了9（比基准数6要大，满足要求）之后停了下来。此时再次进行交换，交换之后的序列如下：

6 1 2 5 4 3 9 7 10 8

第二次交换结束，“探测”继续。哨兵j继续向左挪动，他发现了3（比基准数6要小，满足要求）之后又停了下来。哨兵i继续向右移动，糟啦！此时哨兵i和哨兵j相遇了，哨兵i和哨兵j都走到3面前。说明此时“探测”结束。我们将基准数6和3进行交换。交换之后的序列如下：

3 1 2 5 4 6 9 7 10 8

到此第一轮“探测”真正结束。此时以基准数6为分界点，6左边的数都小于等于6，6右边的数都大于等于6。回顾一下刚才的过程，其实哨兵j的使命就是要找小于基准数的数，而哨兵i的使命就是要找大于基准数的数，直到i和j碰头为止。

OK，解释完毕。现在基准数6已经归位，它正好处在序列的第6位。此时我们已经将原来的序列，以6为分界点拆分成了两个序列，左边的序列是“3 1 2 5 4”，右边的序列是“9 7 10 8”。接下来还需要分别处理这两个序列。因为6左边和右边的序列目前都还是很混乱的。不过不要紧，我们已经掌握了方法，接下来只要模拟刚才的方法分别处理6左边和右边的序列即可。现在先来处理6左边的序列现吧。

左边的序列是“3 1 2 5 4”。请将这个序列以3为基准数进行调整，使得3左边的数都小于等于3，3右边的数都大于等于3。好了开始动笔吧

如果你模拟的没有错，调整完毕之后的序列的顺序应该是：

2 1 3 5 4

OK，现在3已经归位。接下来需要处理3左边的序列“2 1”和右边的序列“5 4”。对序列“2 1”以2为基准数进行调整，处理完毕之后的序列为“1 2”，到此2已经归位。序列“1”只有一个数，也不需要进行任何处理。至此我们对序列“2 1”已全部处理完毕，得到序列是“1 2”。序列“5 4”的处理也仿照此方法，最后得到的序列如下：

1 2 3 4 5 6 9 7 10 8

对于序列“9 7 10 8”也模拟刚才的过程，直到不可拆分出新的子序列为止。最终将会得到这样的序列，如下

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

到此，排序完全结束。细心的同学可能已经发现，快速排序的每一轮处理其实就是将这一轮的基准数归位，直到所有的数都归位为止，排序就结束了。

具体代码：

//快速排序
    public static void quickSort(int [] src, int start , int end){
        int temp,i,j,t;
        if(start>end)
            return;
        temp = src[start];
        i = start;
        j = end;
        while(i<j){
            //首先end从右向左移动
            while (i<j && src[j]>=temp){
                j--;
            }
            //然后start从左往右开始移动
            while (i < j && src[i]<=temp) {
                i++;
            }
            //确定i，j后进行交换
            t = src[j];
            src[j] = src[i];
            src[i] = t;

        }
        //将基准数与i，j相遇的点进行交换，基准数归位
        src[start] = src[i];
        src[i] = temp;
        quickSort(src, start,j-1);
        quickSort(src,j+1,end);
    }

6.堆排序

对简单选择排序的优化。

将序列构建成大顶堆。

将根节点与最后一个节点交换，然后断开最后一个节点。

重复第一、二步，直到所有节点断开。

具体代码：

//堆排序
    public  void heapSort(int[] a){
        int len=a.length;
        //循环建堆
        for(int i=0;i<len-1;i++){
            //建堆
            buildMaxHeap(a,len-1-i);
            //交换堆顶和最后一个元素
            swap(a,0,len-1-i);
        }
    }
    //交换方法
    private  void swap(int[] data, int i, int j) {
        int tmp=data[i];
        data[i]=data[j];
        data[j]=tmp;
    }
    //对data数组从0到lastIndex建大顶堆
    private void buildMaxHeap(int[] data, int lastIndex) {
        //从lastIndex处节点（最后一个节点）的父节点开始
        for(int i=(lastIndex-1)/2;i>=0;i--){
            //k保存正在判断的节点
            int k=i;
            //如果当前k节点的子节点存在
            while(k*2+1<=lastIndex){
                //k节点的左子节点的索引
                int biggerIndex=2*k+1;
                //如果biggerIndex小于lastIndex，即biggerIndex+1代表的k节点的右子节点存在
                if(biggerIndex<lastIndex){
                    //若果右子节点的值较大
                    if(data[biggerIndex]<data[biggerIndex+1]){
                        //biggerIndex总是记录较大子节点的索引
                        biggerIndex++;
                    }
                }
                //如果k节点的值小于其较大的子节点的值
                if(data[k]<data[biggerIndex]){
                    //交换他们
                    swap(data,k,biggerIndex);
                    //将biggerIndex赋予k，开始while循环的下一次循环，重新保证k节点的值大于其左右子节点的值
                    k=biggerIndex;
                }else{
                    break;
                }
            }
        }
    }

7.归并排序

归并排序是采用分治法的一个非常典型的应用。归并排序的思想就是先递归分解数组，再合并数组。

将数组分解最小之后，然后合并两个有序数组，基本思路是比较两个数组的最前面的数，谁小就先取谁，取了后相应的指针就往后移一位。然后再比较，直至一个数组为空，最后把另一个数组的剩余部分复制过来即可。

 

具体代码：

public class Merge

{

	public static void main(String[] args)

	{

		int[] ins = {2,3,5,1,23,6,78,34,23,4,5,78,34,65,32,65,76,32,76,1,9};

		int[] ins2 = sort(ins);

		for(int in: ins2){

			System.out.println(in);

		}

		

	}

	public static int[] sort(int[] ins){

		if(ins.length <=1){

			return ins;

		}

		int num = ins.length/2;

		int[] temp=Arrays.copyOfRange(ins, 0, num);

		int[] left = sort(Arrays.copyOfRange(ins, 0, num));

		int[] right = sort(Arrays.copyOfRange(ins, num, ins.length));

		return merge(left,right);

	}

	public static int[] merge(int[] left, int[] right){

		int l=0; 

		int r=0;

		List<Integer>  list = new ArrayList<Integer>();

		while(l<left.length && r<right.length){

			if(left[l] < right[r]){

				list.add(left[l]);

				l += 1;

			}else{

				list.add(right[r]);

				r += 1;

			}

		}

		if(l>=left.length){

			for(int i=r; i<right.length; i++){

				list.add(right[i]);

			}

		}

		if(r>=right.length){

			for(int i=l; i<left.length; i++){

				list.add(left[i]);

			}

		}

		int[] result = new int[list.size()];

		for(int i=0; i<list.size(); i++){

			result[i] = list.get(i);

		}

		return result;

	}

}

8.基数排序（了解即可）

用于大量数，很长的数进行排序时。

将所有的数的个位数取出，按照个位数进行排序，构成一个序列。

将新构成的所有的数的十位数取出，按照十位数进行排序，构成一个序列。

具体代码：

//基数排序
    public void baseSort(int[] a) {
        //首先确定排序的趟数;
        int max = a[0];
        for (int i = 1; i < a.length; i++) {
            if (a[i] > max) {
                max = a[i];
            }
        }
        int time = 0;
        //判断位数;
        while (max > 0) {
            max /= 10;
            time++;
        }
        //建立10个队列;
        List<ArrayList<Integer>> queue = new ArrayList<ArrayList<Integer>>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            ArrayList<Integer> queue1 = new ArrayList<Integer>();
            queue.add(queue1);
        }
        //进行time次分配和收集;
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            //分配数组元素;
            for (int j = 0; j < a.length; j++) {
                //得到数字的第time+1位数;
                int x = a[j] % (int) Math.pow(10, i + 1) / (int) Math.pow(10, i);
                ArrayList<Integer> queue2 = queue.get(x);
                queue2.add(a[j]);
                queue.set(x, queue2);
            }
            int count = 0;//元素计数器;
            //收集队列元素;
            for (int k = 0; k < 10; k++) {
                while (queue.get(k).size() > 0) {
                    ArrayList<Integer> queue3 = queue.get(k);
                    a[count] = queue3.get(0);
                    queue3.remove(0);
                    count++;
                }
            }
        }
    }

总结

一、稳定性:

　   稳定：冒泡排序、插入排序、归并排序和基数排序

　　不稳定：选择排序、快速排序、希尔排序、堆排序

二、平均时间复杂度

　　O(n^2):直接插入排序，简单选择排序，冒泡排序。

　　在数据规模较小时（9W内），直接插入排序，简单选择排序差不多。当数据较大时，冒泡排序算法的时间代价最高。性能为O(n^2)的算法基本上是相邻元素进行比较，基本上都是稳定的。

　　O(nlogn):快速排序，归并排序，希尔排序，堆排序。

　　其中，快排是最好的， 其次是归并和希尔，堆排序在数据量很大时效果明显。

三、排序算法的选择

　　1.数据规模较小

  　　（1）待排序列基本序的情况下，可以选择直接插入排序；

  　　（2）对稳定性不作要求宜用简单选择排序，对稳定性有要求宜用插入或冒泡

　　2.数据规模不是很大

　　（1）完全可以用内存空间，序列杂乱无序，对稳定性没有要求，快速排序，此时要付出log（N）的额外空间。

　　（2）序列本身可能有序，对稳定性有要求，空间允许下，宜用归并排序

　　3.数据规模很大

   　　（1）对稳定性有求，则可考虑归并排序。

    　　（2）对稳定性没要求，宜用堆排序

　　4.序列初始基本有序（正序），宜用直接插入，冒泡

 

 

好了，到这里我们就把常用的八种排序算法总结完了，其中选择排序，插入排序，希尔排序，冒泡排序，快速排序是必须能独立敲出来掌握的，其他三种也要能理解其实现思想。大家 加油！

 

参考文章：https://www.cnblogs.com/10158wsj/p/6782124.html

                  https://blog.youkuaiyun.com/shujuelin/article/details/82423852