计数排序，基数排序和桶排序

线性排序算法精讲

最新推荐文章于 2025-03-09 00:18:30 发布

ShenYounger

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本文深入探讨计数排序、基数排序及桶排序等线性时间复杂度排序算法的原理与实现，通过实例代码详细解释每种算法的工作流程及其应用场景。

计数排序，基数排序，桶排序等非比较排序算法，平均时间复杂度都是O(n)。这些排序因为其待排序元素本身就含有了定位特征，因而不需要比较就可以确定其前后位置，从而可以突破比较排序算法时间复杂度O(nlgn)的理论下限。

计数排序(Counting sort)

计数排序(Counting sort) 是一种稳定的排序算法。计数排序是最简单的特例，由于用来计数的数组 C 的长度取决于待排序数组中数据的范围（等于待排序数组的最大值与最小值的差加上1），这使得计数排序对于数据范围很大的数组，需要大量时间和内存，适用性不高。例如：计数排序是用来排序0到100之间的数字的最好的算法，但是它不适合按字母顺序排序人名。但是，计数排序可以用在基数排序中来排序数据范围很大的数组。当输入的元素是 n 个 0 k 之间的整数时，计数排序的运行时间是 Θ(n + k)。

假定输入是个数组A【1...n】， length【A】=n。另外还需要一个存放排序结果的数组B【1...n】，以及提供临时存储区的C【0...k】(k是所有元素中最大的一个)。算法伪代码：

算法的步骤如下：

找出待排序的数组中最大和最小的元素
统计数组中每个值为t的元素出现的次数，存入数组C的第t项
对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）
反向填充目标数组：将每个元素t放在新数组的第C(t)项，每放一个元素就将C(t)减去1

算法实现：

package tets;

    /*
     *  算法的步骤如下：
        1、找出待排序的数组中最大和最小的元素
        2、统计数组中每个值为t的元素出现的次数，存入数组C的第t项
        3、对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）
        4、反向填充目标数组：将每个元素t放在新数组的第C(t)项，每放一个元素就将C(t)减去1
     * */
    public class CountingSort {
        // 类似bitmap排序
       public static void countSort(int[] a, int[] b, final int k) {
           // k>=n
           int[] c = new int[k + 1];
           for (int i = 0; i < k+1; i++) {
               c[i] = 0;
           }        
           for (int i = 0; i < a.length; i++) {
               c[a[i]]++;
           }        
           System.out.println("\n****************");
           System.out.println("计数排序第2步后,临时数组C变为：");
           for (int m: c) {
               System.out.print(m + " ");
           }
           
           for (int i = 1; i <= k; i++) {
               c[i] += c[i - 1];
           }        
           System.out.println("\n计数排序第3步后,临时数组C变为：");
           for (int m: c) {
               System.out.print(m + " ");
           }
           
           for (int i = a.length - 1; i >= 0; i--) {
               b[c[a[i]] - 1] = a[i];//C[A[i]]-1 就代表小于等于元素A[i]的元素个数，就是A[i]在B的位置
               c[a[i]]--;
           }
           System.out.println("\n计数排序第4步后,临时数组C变为：");
           for (int n:c) {
               System.out.print(n + " ");
           }
           System.out.println("\n计数排序第4步后,数组B变为：");
           for (int t:b) {
               System.out.print(t + " ");
           }
           System.out.println();
           System.out.println("****************\n");
       }
    
       public static int getMaxNumber(int[] a) {
           int max = 0;
           for (int i = 0; i < a.length; i++) {
               if (max < a[i]) {
                   max = a[i];
               }
           }
           return max;
       }
    
       public static void main(String[] args) {
           int[] a = new int[] { 2, 5, 3, 0, 2, 3, 0, 3 };
           int[] b = new int[a.length];
           System.out.println("计数排序前为：");
           for (int i = 0; i < a.length; i++) {
               System.out.print(a[i] + " ");
           }
           System.out.println();
           countSort(a, b, getMaxNumber(a));
           System.out.println("计数排序后为：");
           for (int i = 0; i < a.length; i++) {
               System.out.print(b[i] + " ");
           }
           System.out.println();
       }
    
   }

基数排序(radix sorting)

基数排序（radix sorting）将所有待比较数值(正整数)统一为同样的数位长度，数位较短的数前面补零。然后从最低位开始，依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后，数列就变成一个有序序列。具体过程可以参考动画演示。

假设我们有一些二元组(a,b)，要对它们进行以a为首要关键字，b的次要关键字的排序。我们可以先把它们先按照首要关键字排序，分成首要关键字相同的若干堆。然后，在按照次要关键值分别对每一堆进行单独排序。最后再把这些堆串连到一起，使首要关键字较小的一堆排在上面。按这种方式的基数排序称为MSD(Most Significant Dight)排序。第二种方式是从最低有效关键字开始排序，称为LSD(Least Significant Dight)排序。首先对所有的数据按照次要关键字排序，然后对所有的数据按照首要关键字排序。要注意的是，使用的排序算法必须是稳定的，否则就会取消前一次排序的结果。由于不需要分堆对每堆单独排序，LSD方法往往比MSD简单而开销小。下文介绍的方法全部是基于LSD的。

基数排序的简单描述就是将数字拆分为个位十位百位，每个位依次排序。因为这对算法稳定要求高，所以我们对数位排序用到上一个排序方法计数排序。因为基数排序要经过d (数据长度)次排序，每次使用计数排序，计数排序的复杂度为 On), d 相当于常量和N无关，所以基数排序也是 O(n)。基数排序虽然是线性复杂度，即对n个数字处理了n次，但是每一次代价都比较高，而且使用计数排序的基数排序不能进行原地排序，需要更多的内存，并且快速排序可能更好地利用硬件的缓存，所以比较起来，像快速排序这些原地排序算法更可取。对于一个位数有限的十进制数，我们可以把它看作一个多元组，从高位到低位关键字重要程度依次递减。可以使用基数排序对一些位数有限的十进制数排序。

例如我们将一个三位数分成，个位，十位，百位三部分。我们要对七个三位数来进行排序，依次对其个位，十位，百位进行排序，如下图：

很显然，每一位的数的大小都在[0，9]中，对于每一位的排序用计数排序再适合不过。

package tets;

  // 基数排序：稳定排序
    public class RadixSorting {
     
        // d为数据长度
        private static void radixSorting(int[] arr, int d) {        
            //arr = countingSort(arr, 0);
            for (int i = 0; i < d; i++) {
                arr = countingSort(arr, i); // 依次对各位数字排序（直接用计数排序的变体）
                print(arr,i+1,d);
           }
       }
       
       // 把每次按位排序的结果打印出来
       static void print(int[] arr,int k,int d)
       {
           if(k==d)
               System.out.println("最终排序结果为：");
           else
               System.out.println("按第"+k+"位排序后，结果为：");
           for (int t : arr) {
               System.out.print(t + " ");
           }
           System.out.println();
       }
       
       // 利用计数排序对元素的每一位进行排序
       private static int[] countingSort(int[] arr, int index) {
           int k = 9;
           int[] b = new int[arr.length];
           int[] c = new int[k + 1]; //这里比较特殊：数的每一位最大数为9        
    
           for (int i = 0; i < k+1; i++) {
               c[i] = 0;
           }
           for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
               int d = getBitData(arr[i], index);
               c[d]++;
           }
           for (int i = 1; i <= k; i++) {
               c[i] += c[i - 1];
           }
           for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {
               int d = getBitData(arr[i], index);
               b[c[d] - 1] = arr[i];//C[d]-1 就代表小于等于元素d的元素个数，就是d在B的位置
               c[d]--;
           }
           return b;
       }
    
       // 获取data指定位的数
       private static int getBitData(int data, int index) {
           while (data != 0 && index > 0) {
               data /= 10;
               index--;
           }
           return data % 10;
       }
    
       public static void main(String[] args) {
           // TODO Auto-generated method stub
           int[] arr = new int[] {326,453,608,835,751,435,704,690,88,79,79};//{ 333, 956, 175, 345, 212, 542, 99, 87 };
           System.out.println("基数排序前为：");
           for (int t : arr) {
               System.out.print(t + " ");
           }
           System.out.println();
           radixSorting(arr, 4);        
       }
    
   }

桶排序（Bucket Sort）

首先定义桶，桶为一个数据容器，每个桶存储一个区间内的数。依然有一个待排序的整数序列A，元素的最小值不小于0，最大值不超过K。假设我们有M个桶，第i个桶Bucket[i]存储i*K/M至(i+1)*K/M之间的数。桶排序步骤如下：

扫描序列A，根据每个元素的值所属的区间，放入指定的桶中(顺序放置)。
对每个桶中的元素进行排序，什么排序算法都可以，例如插入排序。
依次收集每个桶中的元素，顺序放置到输出序列中。

具体过程可以参考动画演示。

具体代码：

package tets;

  // 桶排序
    public class BucketSort {
     
        // 插入排序
        static void insertSort(int[] a) {
            int n = a.length;
            for (int i = 1; i < n; i++) {
                int p = a[i];
                insert(a, i, p);
           }
       }
    
       static void insert(int[] a, int index, int x) {
           // 元素插入数组a[index-1]
           int i;
           for (i = index - 1; i >= 0 && x < a[i]; i--) {
               a[i + 1] = a[i];
           }
           a[i + 1] = x;
       }
    
       private static void bucketSort(int[] a) {
           int M = 10; // 10个桶
           int n = a.length;
           int[] bucketA = new int[M]; // 用于存放每个桶中的元素个数
           // 构造一个二维数组b，用来存放A中的数据,这里的B相当于很多桶，[i][]代表第i个桶
           int[][] b = new int[M][n];
           int i, j;
           for (i = 0; i < M; i++)
               for (j = 0; j < n; j++)
                   b[i][j] = 0;
    
           int data, bucket;
           for (i = 0; i < n; i++) {
               data = a[i];
               bucket = data / 10;
               b[bucket][bucketA[bucket]] = a[i];// B[0][]中存放A中进行A[i]/10运算后高位为0的数据，同理B[1][]存放高位为1的数据
               bucketA[bucket]++;// 用来计数二维数组中列中数据的个数，也就是桶A[i]中存放数据的个数
           }
           System.out.println("每个桶内元素个数：");
           for (i = 0; i < M; i++) {
               System.out.print(bucketA[i] + " ");
           }
           System.out.println();
    
           System.out.println("数据插入桶后，桶内未进行排序前的结果为：");
           for (i = 0; i < M; i++) {
               for (j = 0; j < n; j++)
                   System.out.print(b[i][j] + " ");
               System.out.println();
           }
    
           System.out.println("对每个桶进行插入排序，结果为：");
           // 下面使用直接插入排序对这个二维数组进行排序,也就是对每个桶进行排序
           for (i = 0; i < M; i++) {
               // 下面是对具有数据的一列进行直接插入排序，也就是对B[i][]这个桶中的数据进行排序
               if (bucketA[i] != 0) {
                   // 插入排序
                   for (j = 1; j < bucketA[i]; j++) {
                       int p = b[i][j];
                       int k;
                       for (k = j - 1; k >= 0 && p < b[i][k]; k--)
                       {
                           assert k==-1;
                           b[i][k + 1] = b[i][k];
                       }
                       b[i][k + 1] = p;
                   }
               }
           }
           
           // 输出排序过后的顺序
           for (i = 0; i < 10; i++) {
               if (bucketA[i] != 0) {
                   for (j = 0; j < bucketA[i]; j++) {
                       System.out.print(b[i][j] + " ");
                   }
               }
           }
       }
    
       /**
        * @param args
        */
       public static void main(String[] args) {
           // TODO Auto-generated method stub
           int[] arr = new int[] {3,5,45,34,2,78,67,34,56,98};                                                            
           bucketSort(arr);
       }
    
   }

三种线性排序的比较