排序

作者: 漫游之光 | 来源:发表于2018-09-12 22:03 被阅读0次

    这里讨论的排序还有如下两个特点:

    • 只讨论基于比较的排序(> = < 有定义)
    • 只讨论内部排序(排序工作能够在主存中完成)

    大多数情况下,为简单起见,讨论从小大的整数排序。这里使用的函数模型是:

    void xSort(vector<int> &arr)
    

    除了面试外,在日常的工作中,我们是不可能去手写排序算法了,但是了解排序算法的工作原理还是很有意义的,里面使用的一些技巧很值得借鉴。

    在排序算法中,有一个稳定性的概念,即任意两个相等的数据, 排序前后的相对位置不发生改变。

    先给出我用于测试排序函数正确性的测试函数,本文所有的排序算法都只通过了这个测试函数,所有有可能有一些BUG。

    void testSortFunc(void(*sortFunc)(vector<int>&)){
        int TIMES = 10000;
        int SIZE = 100;
        for(int i=0;i<TIMES;i++){
            vector<int> arr;
            for(int j=0;j<SIZE;j++){
                arr.push_back(rand());
            }
            vector<int> arr1 = arr, arr2 = arr;
            sort(arr1.begin(),arr1.end());
            sortFunc(arr2);
            for(int j=0;j<SIZE;j++){
                if(arr1[j] != arr2[j]){
                    cout<<"error"<<endl;
                    return;
                }
            }
        }
        cout<<"pass all test"<<endl;
    }
    

    选择排序

    选择排序非常简单,每次选择最大的一个数,放到指定的位置即可。

    void selectSort(vector<int> &arr){
        for(int i=arr.size()-1;i>0;i--){
            int maxPos = 0;
            for(int j=1;j<=i;j++){
                if(arr[j] > arr[maxPos]){
                    maxPos = j;
                }
            }
            swap(arr[i],arr[maxPos]);
        }
    }
    

    冒泡排序

    冒泡排序的思想十分简单,就是每次找到最大/最小的数,然后重复N次。所以,写这种程序还是比较简单的,下面直接给出冒泡排序的代码:

    void bubbleSort(vector<int> &arr){
        for(int i = arr.size()-1;i>0;i--){
            //通过交换,每次将剩余的最大数调整到i
            for(int j=0;j<i;j++){
                if(arr[j] > arr[j+1]){
                    swap(arr[j],arr[j+1]);
                }
            }
        }
    }
    

    插入排序

    插入排序的算法就好像打牌的时候,摸牌之后的操作。这个算法个人感觉比冒泡排序要难一点。

    void insertSort(vector<int> &arr){
        for(int i = 1;i<arr.size();i++){
            int num = arr[i];
            int j;
            //如果前一个数大于当前数,将前一个数后移一位,然后继续和下一个数比较
            for(j = i;j>0 && arr[j-1] > num;j--){
                arr[j] = arr[j-1];
            }
            //停止的时候就到了正确的位置
            arr[j] = num;
        }
    }
    

    希尔排序

    希尔排序其实和简单排序差不多,只不过是每次是个n个进行排序。这个我已经空了很久了,在K&R那本书里面看到了这个算法,然后就搬到了这里。下面是具体的代码:

    void shellSort(vector<int> &arr){
        for(int gap = arr.size() / 2; gap > 0; gap /= 2){
            for(int i = gap;i < arr.size(); i++){
                for(int j = i - gap;j >= 0 && arr[j] > arr[j + gap];j -= gap){
                    swap(arr[j],arr[j+gap]);
                }
            }
        }
    }
    

    快速排序

    快速排序是现在常用的算法,其核心是在线性时间内将一个数组以pivot(自己选择)为中点,使得比它大的都在其右边,比它小的都在其左边,然后进行递归调用,直到只剩下一个数字。

    void quickSort(vector<int> &arr, int left, int right){
        if(left >= right){ //递归出口
            return;
        }
        //随机选一个数作为参考数
        int len = right - left + 1;
        int randPos = rand() % len + left;
        swap(arr[left],arr[randPos]);
        //partition操作,执行之后,左边的数小于参考数,右边的数大于参考数
        int pos = left; //pos表示在pos右边的数都要大于arr[left]
        for(int i=left+1;i<=right;i++){
            if(arr[i] < arr[left]){
                swap(arr[i],arr[++pos]);
            }
        } 
        swap(arr[left],arr[pos]);
        
        quickSort(arr,left,pos-1);
        quickSort(arr,pos+1,right);
    }
    
    void quickSort(vector<int> &arr){
        quickSort(arr,0,arr.size()-1);
    }
    

    归并排序

    归并排序和快速排序的复杂度都是O(nlogn) ,它的基本思想是,在线性时间内,对已经排序的数组合在一起。为了这样做,它需要额外的空间。它的代码如下:

    void mergeSort(vector<int> &arr1, vector<int> &arr2, int left, int right){
        if(left >= right){
            return;
        }
        int mid = left + (right - left) / 2;
        mergeSort(arr1,arr2,left,mid);
        mergeSort(arr1,arr2,mid+1,right);
    
        //到这里的时候可以认为,两个数组都排好序了,执行merge操作
        int k = left;
        int i = left;
        int j = mid + 1;
        while(i <= mid && j <= right){
            if(arr1[i] <= arr1[j]){
                arr2[k++] = arr1[i++];
            }else{
                arr2[k++] = arr1[j++];
            }
        }
        while(i <= mid){
            arr2[k++] = arr1[i++];
        }
        while(j <= right){
            arr2[k++] = arr1[j++];
        }
        for(i=left;i<=right;i++){
            arr1[i] = arr2[i];
        }
    }
    
    void mergeSort(vector<int> &arr){
        vector<int> arr2(arr.size(),0);
        mergeSort(arr,arr2,0,arr.size()-1);
    }
    

    堆排序

    可以利用堆的性质来进行排序。代码如下:

    //堆的下沉操作
    void heapSink(vector<int> &arr, int pos, int len){
        int parent = pos;
        int child = parent * 2 + 1;
        int num = arr[pos];
        while(child < len){
            if(child + 1 < len && arr[child+1] > arr[child]){
                child++;
            }
            if(num > arr[child]){
                break;
            }
            arr[parent] = arr[child];
            parent = child;
            child = parent * 2 + 1;
        }
        arr[parent] = num;
    }
    
    void heapSort(vector<int> &arr){
        for(int i=arr.size()/2;i>=0;i--){
            heapSink(arr,i,arr.size()); //通过有规律的下沉操作,迅速构造堆
        }
        for(int i=arr.size()-1;i>0;i--){
            swap(arr[0],arr[i]); //每次弹出最大的一个数
            heapSink(arr,0,i); //执行下沉操作
        }
    }
    

    桶排序

    以上的排序都是基于比较,但如果在取值比较少的情况下,可以用桶排序实现线性时间的排序。桶排序主要思想是,先按照值将数据放在桶里,然后按照值的大小依次统计每个桶的数量,实现排序。这种排序方式只适用于值的取值范围比较小的情况。

    void bucketSort(vector<int> &arr){
        //假设arr[i]的取值范围为0 - 100
        vector<int> bucket(101,0);
        for(int num : arr){
            bucket[num]++;
        }
        int k = 0;
        for(int i=0;i<=100;i++){
            for(int j=0;j<bucket[i];j++){
                arr[k++] = i;
            }
        }
    }
    

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