排序–comparable接口
java提供了一个接口Comparable用来定义类的排序规则
eg:
1、定义一个学生类Student,具有年龄age和姓名username连个属性,并通过Comparable接口提供比较规则;
2、定义测试类Test,在测试类中定义测试方法Comparable getMax(Comparable c1,Comparable ca)完成测试
package com.arithmetic.sort;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import lombok.experimental.Accessors;
//1、定义一个学生类Student,具有年龄age和姓名username连个属性,并通过Comparable接口提供比较规则;
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@Accessors(chain = true)
public class Student implements Comparable<Student>{
private String username;
private int age;
@Override
public int compareTo(Student o) {
return this.age - o.age;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Student;
//2、定义测试类Test,在测试类中定义测试方法Comparable getMax(Comparable c1,Comparable ca)完成测试
public class TestComparable {
public static void main(String[] args) {
// 创建两个Student对象,并调用getMax方法
Student s1 = new Student();
s1.setUsername("张三");
s1.setAge(18);
Student s2 = new Student();
s2.setUsername("李四");
s2.setAge(20);
Comparable max = getMax(s1, s2);
System.out.println(max);
}
public static Comparable getMax(Comparable c1,Comparable c2){
int result = c1.compareTo(c2);
// 如果result<0,则c1 比c2大
// 如果result>0,则c1 比c2小
// 如果result==0,则c1 比c2一样大
if(result >= 0){
return c1;
}else {
return c2;
}
}
}
简单排序—(1)冒泡排序
需求:
排序前:{4,5,6,3,2,1}
排序后:{1,2,3,4,5,6}
原理:
1、比较相邻的元素。如果前一个元素比后一个元素大,就交换这两个元素位置。
2、对每一对相邻元素做同样的工作,从开始第一对元素到结尾的最后一对元素。最终最后位置的元素就是最大值
package com.arithmetic.sort;
public class Bubble {
/*
* 对数组a中的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
for(int i = a.length -1; i > 0;i--){//外层循环决定纵冒泡次数
for(int j=0;j< i;j++){//内层循环去交换数据,冒泡
// 比较索引j和索引j+1处的值
if(greater(a[j],a[j+1])){
exch(a,j,j+1);
}
}
}
}
/*
* 比较v元素是否大于w元素
* */
private static boolean greater(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) > 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Bubble;
import java.util.Arrays;
public class BubbleTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {4,5,6,3,2,1};
Bubble.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:
外层循环决定纵冒泡次数,内层循环去交换数据,冒泡
时间复杂度分析:
冒泡排序使用了双层for循环,其中内层循环的循环体是真正完成排序的代码,所以,我们分析冒泡排序的时间复杂度,注意分析一下内层循环体的执行次数即可。
在最坏情况下,也就是加入要排序的元素为{6,5,4,3,2,1}逆序,那么:
元素比较的次数为:
(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+2+1 = ((N-1)+1)(N-1)/2=N^2/2-N/2;
元素交换次数为:
(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+2+1 = ((N-1)+1)(N-1)/2=N^2/2-N/2;
总执行次数为:
(N^2/2-N/2) + (N ^2/2-N/2) = N ^2-N;
安照大O推导法则,保留函数中的最高阶项,那么最终冒泡排序的时间复杂度为O(N^2).
简单排序—(2)选择排序
原理:
1、每一次遍历的过程中,都假定第一个索引处的元素是最小值,和其他索引处的值依次进行比较,如果当前索引处的值大于其他某个索引处的值,则假定其他某个索引处的值为最小值,最后可以找到最小值所在的索引
2、交换第一个索引处和最小值所在的索引处的值
需求:
排序前:{4,6,8,7,9,2,10,1}
排序后:{1, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10}
package com.arithmetic.sort;
public class Selection {
/*
* 对数组a中的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
//选择排序是按照大小顺序来的,所以外层循环可以比总数小1,就是后的那个树是自然结果
for(int i=0; i<=a.length -2;i++){
// 定义一个变量,记录最小元素所在的索引,默认为参与选择排序的第一个元素所在的位置
int minIndex = i;
for (int j = i+1; j < a.length; j++) {
// 需要比较最小索引minIndex处的值和j索引处的值;
if(greater(a[minIndex],a[j])){
minIndex = j;
}
}
// 交换最小元素所在索引MinIndex处的值和索引i处的值
exch(a,i,minIndex);
}
}
/*
* 比较v元素是否大于w元素
* */
private static boolean greater(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) > 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Selection;
import java.util.Arrays;
public class SelectTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {4,6,8,7,9,2,10,1};
Selection.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:
选择排序,就是根据该索引值得排序值,如0索引按从小到大,内存循环就要找到最小的值放在0索引处,和冒泡不同的是冒泡是相邻间相比,把大的往后面冒泡,而选择是找出最大或最小的值放在相应的索引处(按照顺序),不用每比较一下,相邻间就交换位置
时间复杂度分析:
选择排序使用了双层for循环,其中外层循环完成了数据交换,内层循环完成了数据比较,所以我们分别统计数据交换次数和数据比较次数;
数据比较次数:
(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+2+1 = ((N-1)+1)*(N-1)/2=N^2/2-N/2;
数据交换次数:
N-1
时间复杂度:
N^2/2-N/2 + N-1 = N ^ 2/2 + N/2 -1;
安照大O推导法则,保留函数中的最高阶项,那么最终冒泡排序的时间复杂度为O(N^2).
简单排序—(3)插入排序
原理:
1、把所有的元素分为两组,已经排序的和未排序的;
2、找到未排序的组中的第一个元素,向已经排序的组中进行插入;
3、倒叙遍历已经排序的元素,依次和待插入的元素进行比较,直到找到一个元素小于等于待插入元素,那么就把待插入元素放到这个位置,其他的元素向后移动一位;
需求:
排序前:{4,3,2,10,12,1,5,6}
排序后:{1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12}
package com.arithmetic.sort;
public class Insertion {
/*
* 对数组a中的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
for (int i = 1; i < a.length; i++) {
for (int j = i; j > 0 ; j--) {
// 比较索引j处的值和索引j-1处的值,如果索引j-1处的值比索引j处的值大,则交换数据,
// 如果不大,那么就找到合适的位置了,退出循环即可;
if(greater(a[j-1],a[j])){
exch(a,j-1,j);
}else {
break;
}
}
}
}
/*
* 比较v元素是否大于w元素
* */
private static boolean greater(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) > 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Bubble;
import com.arithmetic.sort.Insertion;
import java.util.Arrays;
public class InsertionTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {4,3,2,10,12,1,5,6};
Insertion.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:
插入排序就和打牌放牌的操作类似,将第二个数和前面排好顺序的数比较,这里是从小到大,如果现在的比前面的小,就和前面的数换位置,直到比前面的数大,就退出内层循环(这里和冒泡相似,但是有退出循环条件)
时间复杂度:
插入排序使用了双层for循环,其中内层循环体是真正完成排序的代码,所以我们分析插入排序的时间复杂度,主要分析内层循环体执行次数即可。
最坏情况:
比较次数为:
(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+2+1 = ((N-1)+1)(N-1)/2=N^2/2-N/2;
交换次数为:
(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+2+1 = ((N-1)+1)(N-1)/2=N^2/2-N/2;
总执行次数为:
(N^2/2-N/2) + (N ^2/2-N/2) = N ^2-N;
安照大O推导法则,保留函数中的最高阶项,那么最终冒泡排序的时间复杂度为O(N^2).
复杂排序—(1)希尔排序
希尔排序是插入排序的一种,又称"缩小增量排序",是插入排序算法的一种更高效的改进版本。
主要是通过分组降低时间复杂度
原理:
1、选定一个增长量h,按照增长量h作为数据分组的依据,对数据进行分组;
2、对分组的每一组数据完成插入排序;
3、减小增长量,最小减为1,重复第二步操作。
先对数据进行分组,在进行插入排序
需求:
排序前:{9,1,2,5,7,4,8,6,3,5}
排序后:{1, 2, 3, 4, 5, 5, 6, 7, 8, 9}
package com.arithmetic.sort;
public class Shell {
/*
* 对数组a中的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
// 1、根据数组a的长度,确定增长量h的初始值
int h = 1;
while (h < a.length/2){
h = 2 * h +1;
}
// 2、希尔排序
while (h >= 1){
// 排序
// 2.1找到待插入的元素
for (int i = h; i < a.length; i++) {
// 2.2把待插入的元素插入到有序数列中
for (int j = i; j >=h ; j-=h) {
// 待插入的元素是a[j],比较a[j]和a[j-h]
if(greater(a[j-h],a[j])){
// 交换元素
exch(a,j-h,j);
}else {
// 待插入元素已经找到了合适的位置,结束循环
break;
}
}
}
// 减小h的值
h = h /2;
}
}
/*
* 比较v元素是否大于w元素
* */
private static boolean greater(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) > 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Insertion;
import com.arithmetic.sort.Shell;
import java.util.Arrays;
public class ShellTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {9,1,2,5,7,4,8,6,3,5};
Shell.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:根据增涨量分组,根据增涨量确定排序的索引间距,但是希尔排序中,增涨量h并没有固定的规则,有很多论文研究了各种不同的递增序列,但都无法证明某个序列是最好的
**时间复杂度分析:**希尔排序时间复杂度计算非常麻烦,我们使用时候分析法对希尔排序和插入排序做性能比较
reverse_arr.txt准备100000条数据:
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Insertion;
import com.arithmetic.sort.Shell;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.util.ArrayList;
public class SortCompare {
// 调用不同的测试方法,完成测试
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1、创建一个ArrayList集合,保存读取出来的整数
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
// 2、创建缓存读取流BufferedReader,读取数据,并存储到ArrayList中;
System.out.println(SortCompare.class.getClassLoader()
.getResourceAsStream("reverse_arr.txt"));
System.out.println(SortCompare.class
.getResourceAsStream("/reverse_arr.txt"));
BufferedReader reader = new BufferedReader(
new InputStreamReader(SortCompare.class.getClassLoader()
.getResourceAsStream("reverse_arr.txt")));
String line = null;
while ((line = reader.readLine()) != null){
// line 是字符串,把Line成Integer,存储到集合中
int i = Integer.parseInt(line);
list.add(i);
}
reader.close();
// 3、把ArrayList集合转换成数组
Integer[] a = new Integer[list.size()];
list.toArray(a);
// 4、调用测试代码完成测试
System.out.println("执行中...");
testInsert(a);//插入
// testShell(a);//希尔
System.out.println("执行结束...");
}
// 测试希尔排序
public static void testShell(Integer[] a){
// 1、获取执行之前的时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 2、执行算法代码
Shell.sort(a);
// 3、获取执行之后的时间
long end = System.currentTimeMillis();
// 4、算出程序执行的时间并输出
System.out.println("希尔排序执行的时间为:"+(end - start)+"毫秒");
}
// 测试插入排序
public static void testInsert(Integer[] a){
// 1、获取执行之前的时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 2、执行算法代码
Insertion.sort(a);
// 3、获取执行之后的时间
long end = System.currentTimeMillis();
// 4、算出程序执行的时间并输出
System.out.println("插入排序执行的时间为:"+(end - start)+"毫秒");
}
}
插入排序结果:18057毫秒
希尔排序结果:18毫秒
复杂排序—(2)归并排序
归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法,该算法是采用分治法的一个非常典型的应用。将已有序列合并,得到完全有序的序列;即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表,称为二路归并;
原理:
1、尽可能的一组数据拆分成两个元素相等的子组,并对每一个子组继续拆分,知道拆分后的每个子组的元素个数是1为止
2、将相邻的两个子组进行合并成一个有序的大组;
3、不断的重复步骤2,知道最终只有一个组为止。
需求:
排序前:{8,4,5,7,1,3,6,2}
排序后:{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}
merge:
代码:
package com.arithmetic.sort;
public class Merge {
// 归并所需要的辅助数组
private static Comparable[] assist;
/*
* 比较v元素是否小于w元素
* */
private static boolean less(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) < 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
/*
* 对数组a中的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
// 1、初始化辅助数组assist;
assist = new Comparable[a.length];
// 2、定义一个lo变量,和hi变量,分别记录数组中最小的所有和最大的索引;
int lo = 0;
int hi = a.length-1;
// 3、调用sort重载方法完成数组a中,从索引lo到索引hi的元素的排序;
sort(a,lo,hi);
}
/*
* 对数组a中从Lo到hi的元素进行排序,递归调用(从最开始反回数据开始理解思路)
* */
private static void sort(Comparable[] a,int lo,int hi){
// 做安全性校验,递归退出条件
if(hi <= lo){
return;
}
// 对lo到hi之间的数据进行分为两个组,得到分组中间值mid
int mid = lo + (hi - lo)/2;// 5,9 mid = 7
// 分别对每一组数据进行排序
sort(a,lo,mid);
sort(a,mid + 1,hi);
// 再把两个组中的数据进行归并
merge(a,lo,mid,hi);
}
/*
* 对数组中,从lo到mid为一组,从mid+1到hi为一组,对这两组数据进行归并
* */
public static void merge(Comparable[] a, int lo,int mid, int hi){
// 定义三个指针
int i = lo;
int p1 = lo;
int p2 = mid + 1;
// System.out.println("p1 =" + p1 +" p2="+p2);
// 1 遍历,移动p1指针和p2指针,比较对应索引处的值,找出小的那个,放到辅助数组的对应索引处
while (p1 <= mid && p2 <= hi){
// 比较对应索引处的值
if(less(a[p1],a[p2])){
assist[i++] = a[p1++];//将较小的值存到辅助数组中并且索引值加一
}else {
assist[i++] = a[p2++];
}
}
// 2 遍历,如果p1的指针没有走完,那么顺序移动p1指针,把对应的元素放到辅助数组的对应索引处
while (p1 <= mid){
assist[i++] = a[p1++];
}
// 3 遍历,如果p2的指针没有走完,那么顺序移动p2指针,把对应的元素放到辅助数组的对应索引处
while (p2 <= hi){
assist[i++] = a[p2++];
}
// 把辅助数组中的元素拷贝到原数组中
for (int index = lo; index <= hi ; index++) {
a[index] = assist[index];
}
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Merge;
import com.arithmetic.sort.Shell;
import java.util.Arrays;
public class MergeTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {8,4,5,7,1,3,6,2};
Merge.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:
采用递归的思想分组并合并,主要sort方法分组(得到分组的索引值(三个值:初、中、末)),merge方法进行合并,合并时主要有三种情况,1、两组都有数据比较,2、a组剩下元素都比b组大,3、b组剩下元素都比a组大
时间复杂度:
归并排序的缺点:
需要申请额外的数字空间,导致空间复杂度提示,是典型的以空间换时间的操作
事后算法对归并排序进行性能测试:
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Insertion;
import com.arithmetic.sort.Merge;
import com.arithmetic.sort.Shell;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.util.ArrayList;
public class SortCompare {
// 调用不同的测试方法,完成测试
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1、创建一个ArrayList集合,保存读取出来的整数
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
// 2、创建缓存读取流BufferedReader,读取数据,并存储到ArrayList中;
System.out.println(SortCompare.class.getClassLoader()
.getResourceAsStream("reverse_arr.txt"));
System.out.println(SortCompare.class
.getResourceAsStream("/reverse_arr.txt"));
BufferedReader reader = new BufferedReader(
new InputStreamReader(SortCompare.class.getClassLoader()
.getResourceAsStream("reverse_arr.txt")));
String line = null;
while ((line = reader.readLine()) != null){
// line 是字符串,把Line成Integer,存储到集合中
int i = Integer.parseInt(line);
list.add(i);
}
reader.close();
// 3、把ArrayList集合转换成数组
Integer[] a = new Integer[list.size()];
list.toArray(a);
// 4、调用测试代码完成测试
System.out.println("执行中...");
// testInsert(a);//插入
// testShell(a);//希尔
testMerge(a);//
System.out.println("执行结束...");
}
// 测试希尔排序
public static void testShell(Integer[] a){
// 1、获取执行之前的时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 2、执行算法代码
Shell.sort(a);
// 3、获取执行之后的时间
long end = System.currentTimeMillis();
// 4、算出程序执行的时间并输出
System.out.println("希尔排序执行的时间为:"+(end - start)+"毫秒");
}
// 测试插入排序
public static void testInsert(Integer[] a){
// 1、获取执行之前的时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 2、执行算法代码
Insertion.sort(a);
// 3、获取执行之后的时间
long end = System.currentTimeMillis();
// 4、算出程序执行的时间并输出
System.out.println("插入排序执行的时间为:"+(end - start)+"毫秒");
}
// 测试归并排序
public static void testMerge(Integer[] a){
// 1、获取执行之前的时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 2、执行算法代码
Merge.sort(a);
// 3、获取执行之后的时间
long end = System.currentTimeMillis();
// 4、算出程序执行的时间并输出
System.out.println("归并排序执行的时间为:"+(end - start)+"毫秒");
}
}
复杂排序—(3)快速排序
快速排序是对冒泡排序的一种改进。它的基本思想是:通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分,其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小,然后再按照此方法对这两部分数据分别进行快速排序,整个排序过程可以递归进行,以此达到整个数据变成有序序列。
原理:
1、首先设定一个分界值,通过该分界值将数组分成左右两部分;
2、将大于或等于分界值得数据放到数组右边,小于分界值得数据放到数组的左边。次数左边部分中各元素都小于或等于分界值,而右边部分中各元素都大于或等于分界值;
3、然后,左边和右边的数据可以独立排序。对于左侧的数组数据,有可以取一个分界值,将该部分数据分成左右两部分,同样在左边放在较小值,右边放置较大值。右侧的数组数据也可以做类似处理。
4、重复上述过程,可以看出,这是一个递归定义。通过递归将左侧部分排好序后,在递归排好右侧部分的顺序。当左侧和右侧两个部分的数据排完序后,整个数组的排序也就完成了。
需求:
排序前:{6,1,2,7,9,3,4,5,8}
排序后:{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}
package com.arithmetic.sort;
public class Quick {
/*
* 比较v元素是否小于w元素
* */
private static boolean less(Comparable v,Comparable w){
return v.compareTo(w) < 0;
}
/*
* 数组元素i和j交换位置
* */
private static void exch(Comparable[] a,int i,int j){
Comparable temp;
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
}
/*
* 对组内的元素进行排序
* */
public static void sort(Comparable[] a){
int lo = 0;
int hi = a.length - 1;
sort(a,lo,hi);
}
/*
* 对数组a中索引从Lo到hi的元素进行排序,递归调用(从最开始反回数据开始理解思路)
* */
private static void sort(Comparable[] a,int lo,int hi){
// 做安全性校验,递归退出条件
if(hi <= lo){
return;
}
// 需要对数组中lo索引到hi处的元素进行分组(左子组和右子组);
//返回的是分组的分界值所在的索引,分界值位置变换后的索引
int partition = partition(a, lo, hi);
// 让左子组有序
sort(a,lo,partition -1);
// 让右子组有序
sort(a,partition+1,hi);
}
/*
* 对数组a中,从索引lo到hi之间的元素进行分组,并返回分组界限对应的索引
* */
public static int partition(Comparable[] a,int lo,int hi){
// 确定分界值
Comparable key = a[lo];
// 定义两个指针,分别指向待切分元素的最小索引处和最大索引处的下一个位置
int left = lo;
int right = hi + 1;
// 切分
while (true){
//先从右往左扫描,移动right指针,找打一个比分界值小的元素,停止
while (less(key,a[--right])){
if(right == lo){
break;
}
}
// 再从左往右扫描,移动left指针,找到一个比分界值大的元素,停止
while (less(a[++left],key)){
if(left == hi){
break;
}
}
// 判断left >= right,如果是,则证明元素扫描完毕,结束循环,如果不是,则交换元素即可
if(left >= right){
break;
}else {
exch(a,left,right);
}
}
// 交换分界值
exch(a,lo,right);
return right;
}
}
package com.arithmetic.test;
import com.arithmetic.sort.Merge;
import com.arithmetic.sort.Quick;
import java.util.Arrays;
public class QuickTest {
public static void main(String[] args) {
Integer[] arr = {6,1,2,7,9,3,4,5,8};
Quick.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
总结:主要是从右往左扫描,和从左往右扫描所有值,找到比分界值大和分界值小的,然后对找到的索引进行交换,小的在左边,大的在右边!然后进行递归!
排序稳定性
稳定性的定义:
数组arr中有若干元素,其中A元素和B元素相等,并且A元素在B元素前面,如果使用某种排序算法排序后,能够保证A元素依然在B元素的前面,可以说这个该算法是稳定的。
常见排序算法的稳定性
**稳定:冒泡、插入、归并 **
不稳定:选择、希尔、快速