sort函数

在C++中，std::sort 是一个用于对容器（如数组、std::vector 等）中的元素进行排序的标准库函数。它的内核实现通常基于高效的排序算法，具体实现可能因编译器和标准库的不同而有所差异，但通常会结合多种排序算法来达到最佳性能。

std::sort 的核心特点

1. 时间复杂度：std::sort 的平均时间复杂度为 O(Nlog⁡N)O(NlogN)，其中 NN 是待排序元素的数量。

2. 算法选择：std::sort 通常结合了多种排序算法：

   • 快速排序（QuickSort）：作为主要算法，快速排序在大多数情况下表现良好。

   • 插入排序（Insertion Sort）：对于小规模数据（如少于一定数量的元素），插入排序的效率更高。

   • 堆排序（HeapSort）：在快速排序的递归深度过大时，堆排序作为备用算法，避免快速排序的最坏情况。

3. 优化：现代实现中，std::sort 会进行多种优化，例如：

   • 避免递归过深（使用堆排序作为后备）。

   • 对小规模数据使用插入排序。

   • 使用三数取中法（median-of-three）或更复杂的策略选择枢轴（pivot），以提高快速排序的效率

以下是一个简化的 std::sort 实现思路（伪代码）：

template <typename RandomIt, typename Compare>
void sort(RandomIt first, RandomIt last, Compare comp) {
    if (first != last) {
        // 对小规模数据使用插入排序
        if (last - first <= INSERTION_SORT_THRESHOLD) {
            insertion_sort(first, last, comp);
        } else {
            // 快速排序的分区操作
            RandomIt pivot = partition(first, last, comp);
            // 递归排序
            sort(first, pivot, comp);
            sort(pivot + 1, last, comp);
        }
    }
}

 分区操作（Partition）

分区是快速排序的核心步骤，通常选择一个枢轴元素，将小于枢轴的元素放在左边，大于枢轴的元素放在右边。现代实现中，通常会使用三数取中法或其他策略来选择枢轴，以避免最坏情况。

插入排序（Insertion Sort）

对于小规模数据，插入排序的效率更高，因为它的常数因子较小，且不需要递归调用。

堆排序（HeapSort）

如果递归深度过大（例如超过某个阈值），std::sort 可能会切换到堆排序，以避免快速排序的最坏情况 O(N2)。

实际实现

在实际的 C++ 标准库实现中（如 GCC 的 libstdc++ 或 LLVM 的 libc++），std::sort 的实现会更加复杂和优化。例如：

• GCC 的 libstdc++ 使用了 Introsort（内省排序），它结合了快速排序、堆排序和插入排序。

• LLVM 的 libc++ 也采用了类似的策略。

使用规则

1. 基本用法

std::sort 的基本用法是对一个范围内的元素进行排序。它需要两个迭代器（表示范围的起始和结束）和一个可选的比较函数。

#include <algorithm> // 包含 sort 函数
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {4, 2, 5, 1, 3};

    // 默认升序排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end());

    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " "; // 输出: 1 2 3 4 5
    }
    return 0;
}

2. 自定义比较函数

如果需要自定义排序规则，可以传递一个比较函数（或 lambda 表达式）作为第三个参数。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {4, 2, 5, 1, 3};

    // 降序排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), std::greater<int>());

    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " "; // 输出: 5 4 3 2 1
    }
    return 0;
}

或者使用 lambda 表达式：

std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) {
    return a > b; // 降序排序
});

3. 排序自定义对象

如果排序的是自定义对象，需要提供比较函数或重载 < 运算符。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

struct Person {
    std::string name;
    int age;

    // 重载 < 运算符
    bool operator<(const Person& other) const {
        return age < other.age; // 按年龄升序排序
    }
};

int main() {
    std::vector<Person> people = {{"Alice", 25}, {"Bob", 20}, {"Charlie", 30}};

    // 使用重载的 < 运算符排序
    std::sort(people.begin(), people.end());

    for (const auto& p : people) {
        std::cout << p.name << ": " << p.age << std::endl;
    }
    return 0;
}

4. 排序部分范围

std::sort 可以对容器的一部分进行排序，只需指定起始和结束迭代器。

std::vector<int> vec = {4, 2, 5, 1, 3};
std::sort(vec.begin() + 1, vec.end()); // 只排序第2个元素到最后一个元素

5. 稳定性

std::sort 不是稳定排序（即相等元素的相对顺序可能会改变）。如果需要稳定排序，可以使用 std::stable_sort。