快排改进

博主针对快速排序在处理初始有序序列时性能下降的问题,提出了选择中间元素作为枢轴的改进方法,从而在有序序列上的排序速度提升到无序序列的一半。此外,他还通过控制循环次数解决了大量相等元素导致的退化问题。经过进一步优化,减少了冗余赋值操作,提高了排序效率。博主还探讨了通过冒泡排序的交换次数来确定序列的有序程度,以此动态选择快速排序的优化版或直接插入排序,以实现不同场景下的性能平衡。

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快排是平均性能最好的排序算法,但是当面对初始有序序列时,速度将会退化到O(n2)。

有一天我就想怎么能把快排在初始有序时排序速度提高,于是在纸上写下一串有序序列,分析其规律,突然发现,如果选择中间的数作为枢轴,是否就能解决这个问题呢?

说干就干,当天用了一下午的时间,对快排进行了改进。


int PationUp(SqList &L,int low,int high)
{//快排升级版,
	int pivot;   //枢轴
	pivot=(high+low)/2;	
	L.r[0]=L.r[pivot];
	while(low
   
   
    
    L.r[0].key)
			--high;
		L.r[pivot]=L.r[high];
		pivot=high;
		while(low
    
    
   
   



在无序时,两种快排速度相差无几,而当初始有序时,改进后的快排速度达到对无序序列排序时的一半,以一亿个随机数为例,在我的电脑上,快排预计需要半年,而改进后的快排只需11秒。


但是,进一步测试发现,当面对含有大量相等元素的序列时,两种快排都会再次退化回O(n2),于是,我采用 if 来控制循环次数,达到两端交替走的效果,当元素全部相等会在正中间分开,避免了一边先走直接走到另一端的情况。不过可能是比较次数过多,略微牺牲了其他情况下的排序性能。


int Pation2(SqList &L,int low,int high)
{	
	int pivot;   
	pivot=(high+low)/2;	
	L.r[0]=L.r[pivot];
	while(low
    
    
     
     =L.r[0].key)
			--high;
		if(L.r[high].key<=L.r[0].key)
		{
			L.r[pivot]=L.r[high];
			pivot=high;
		}
		if(low
     
     
      
      =L.r[0].key)
		{
			L.r[pivot]=L.r[low];
			pivot=low;
		}
	}
	L.r[pivot]=L.r[0];
	return pivot;
}

void Qsort2(SqList &L,int low,int high)
{
	int j;
	if(low
      
      
     
     
    
    


注:1到10等值,是指,比如生成一个含有一万个数的序列,取值范围为1到10,每个数出现的次数为10000/10=1000次。因为我在测试时发现,代码中判定条件的微小差异会对不是所有数都等值的序列造成非常大的影响。

代码中

<think>嗯,用户想了解快速排序的优化方法。首先,我需要回忆一下快速排序的基本原理,然后想想常见的优化手段。根据之前学过的知识,快速排序的平均时间复杂度是$O(n \log n)$,但最坏情况下会退化到$O(n^2)$,比如当数组已经有序的时候。这时候基准元素的选择就很重要了,可能用户提到的优化方法里包括随机选择基准或者三数取中法。 然后,用户的问题里还引用了几个资料,比如引用[1]提到数据结构与算法优化的案例分析,可能里面涉及到递归深度优化,比如尾递归或者迭代法来避免栈溢出。另外,当处理小数组时,切换到插入排序也是一种常见的优化,因为插入排序在小数据量上表现更好。 还需要考虑分区操作的优化,比如双路或三路分区,特别是处理有大量重复元素的情况。比如三路分区可以将数组分成小于、等于和大于基准的三部分,减少重复元素的递归处理。 另外,引用[2]里提到的排序算法分析可能包括稳定性、内存消耗等,不过快速排序本身是不稳定的,但优化后可能影响这些因素。比如,三数取中法会影响稳定性吗?可能不影响,但需要确认。 用户提供的示例代码里基准选的是第一个元素,这可能不是最优的,所以优化方法中的基准选择应该是重点。此外,代码用的是列表推导式生成左右两部分,但可能分区操作可以更高效,比如原地排序,减少内存使用。 还有,考虑是否提到混合排序算法,比如结合快速排序和堆排序,比如内省排序(Introsort),在递归深度超过一定限制时切换到堆排序,避免最坏情况。 再检查一下是否有其他优化技巧,比如并行化处理,但可能这超出了基本优化的范围。或者针对特定数据模式,比如几乎有序的数组,随机化基准会更有效。 总结下来,优化方法可能包括: 1. 基准选择优化(随机、三数取中) 2. 小数组切换插入排序 3. 尾递归优化 4. 双路或三路分区 5. 避免最坏情况的时间复杂度 6. 混合排序策略 然后需要将这些点组织成结构清晰的回答,结合引用中的内容,比如引用[1]提到的优化技巧,引用[2]中的算法分析,可能需要指出如何分析优化后的性能,比如时间复杂度的变化,内存消耗的改进等。 另外,用户可能还关心这些优化在实际应用中的效果,比如在大量重复数据时的性能提升,或者处理几乎有序数组时的表现。需要确保每个优化方法都解释清楚原理和适用场景。 最后,生成的相关问题需要围绕用户的需求展开,比如性能分析、应用场景或者其他排序算法的比较。比如,快速排序与归并排序的对比,或者优化后的快速排序在现实中的应用案例。 确保回答符合LaTeX格式要求,数学公式用$...$或$$...$$,并且引用标识正确放置。例如,在提到基准选择优化时,可以引用[^1]或[^2],但需要检查引用内容是否相关。根据提供的引用,引用[1]是关于数据结构与算法优化,所以可能更适合在优化方法部分引用,而引用[2]涉及算法分析,可能在性能分析的问题中引用。</think>### 快速排序的优化方法 快速排序的优化核心在于**降低最坏时间复杂度**和**提升实际运行效率**,主要手段包括基准选择、分区策略、混合算法等。以下是具体优化技巧: --- #### 1. 基准选择优化 - **随机基准**:随机选择基准元素可避免固定选择(如首元素)导致的有序数组退化问题,时间复杂度从$O(n^2)$降至$O(n \log n)$。 ```python import random def quick_sort(arr): if len(arr) <= 1: return arr pivot = random.choice(arr) # 随机选择基准 # 后续分区逻辑... ``` - **三数取中法**:选择首、中、尾三个元素的中位数作为基准,减少分区不平衡的概率[^2]。 --- #### 2. 小数组切换插入排序 当子数组长度较小时(如$n \leq 16$),插入排序的性能优于快速排序。此时切换算法可减少递归调用开销: ```python def quick_sort_optimized(arr): if len(arr) <= 16: return insertion_sort(arr) # 插入排序 # 正常快速排序逻辑... ``` --- #### 3. 尾递归优化 通过迭代替代递归,减少递归栈深度,避免栈溢出。例如,每次优先处理较短的子数组: ```python def quick_sort_tail(arr, low, high): while low < high: pivot_idx = partition(arr, low, high) if pivot_idx - low < high - pivot_idx: quick_sort_tail(arr, low, pivot_idx-1) low = pivot_idx + 1 else: quick_sort_tail(arr, pivot_idx+1, high) high = pivot_idx -1 ``` --- #### 4. 双路/三路分区 - **双路分区**:使用左右指针向中间扫描,减少重复元素导致的性能下降。 - **三路分区**:将数组分为“小于基准”“等于基准”“大于基准”三部分,适用于大量重复元素的场景: ```python def three_way_partition(arr, low, high): lt, gt = low, high pivot = arr[low] i = low while i <= gt: if arr[i] < pivot: arr[i], arr[lt] = arr[lt], arr[i] lt += 1 i += 1 elif arr[i] > pivot: arr[i], arr[gt] = arr[gt], arr[i] gt -= 1 else: i += 1 return lt, gt ``` --- #### 5. 混合排序策略 结合快速排序与堆排序(如内省排序),当递归深度超过阈值时切换算法,避免最坏时间复杂度[^3]。 --- ### 性能对比 | 优化方法 | 时间复杂度 | 适用场景 | |-------------------|------------------|------------------------| | 随机基准 | $O(n \log n)$ | 普通数组 | | 三路分区 | $O(n)$~$O(n \log n)$ | 大量重复元素 | | 插入排序混合 | $O(n^2)$~$O(n \log n)$ | 小规模数据 | ---
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