Java常用算法

作者: 才兄说 | 来源:发表于2017-06-12 22:32 被阅读63次

    交换排序

    冒泡排序

    将最后一个元素与倒数第二个元素对比,如果最后一个元素比倒数第二个小,则交换两个元素的位置,再用倒数第二个元素与倒数第三个元数对比,直到比到第一个元素,这样经过第一趟排序后得到第一个最小元素。如此反复几过N(N=length-1)次后可得到排序结果。

    package sort;  
      
    import java.util.Comparator;  
      
    /**
     * 冒泡排序算法
     *
     * @param <E>
     * @author jzj
     * @date 2009-12-9
     */
    public class BubbleSort<E extends Comparable<E>> extends Sort<E> {
    
        /**
         * 排序算法的实现,对数组中指定的元素进行排序
         *
         * @param array 待排序的数组
         * @param from  从哪里开始排序
         * @param end   排到哪里
         * @param c     比较器
         */
        public void sort(E[] array, int from, int end, Comparator<E> c) {
            //需array.length - 1轮比较
            for (int k = 1; k < end - from + 1; k++) {
                //每轮循环中从最后一个元素开始向前起泡,直到i=k止,即i等于轮次止
                for (int i = end - from; i >= k; i--) {
                    //按照一种规则(后面元素不能小于前面元素)排序
                    if (c.compare(array[i], array[i - 1]) < 0) {
                        //如果后面元素小于了(当然是大于还是小于要看比较器实现了)前面的元素,则前后交换
                        swap(array, i, i - 1);
                    }
                }
            }
        }
    
        /**
         * 测试
         *
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            Integer[] intgArr = {7, 2, 4, 3, 12, 1, 9, 6, 8, 5, 11, 10};
            BubbleSort<Integer> sort = new BubbleSort<Integer>();
            BubbleSort.testSort(sort, intgArr);
            BubbleSort.testSort(sort, null);
        }
    }
    
    快速排序

    快速排序采用了分治法的思想,把大的问题分解为同类型的小问题。 一般分如下步骤:
    1)选择一个中枢元素(有很多选法,我的实现里使用第一个元素为中枢的简单方法)
    2)以该中枢元素为基准点,将小于中枢的元素放在中枢后集合的前部分,比它大的在集合后部分,待集合基本排序完成后(此时前部分元素小于后部分元素),把中枢元素放在合适的位置。
    3)根据中枢元素最后确定的位置,把数组分成三部分,左边的,右边的,枢纽元素自己,对左边的,右边的分别递归调用快速排序算法即可。

    这里的重点与难点在于第二步,实现的方式有很多种,我这里实现了三种。

    第一种实现(partition1方法): 以第一个元素为中枢元素,在中枢元素后面集合中从前往后寻找第一个比中枢元素小的元素,并与第一个元素交换,然后从剩余的元素中寻找第二个比中枢元素小的 元素,并与第二位元素交换,这样直到所有小于中枢元素找完为止,并记下最后一次放置小于中枢的元素位置minIndex(即小于中枢与大于中枢的分界), 并将中枢元素与minIndex位置元素互换,然后对中枢元素两边的序列进行同样的操作。 此种实现最为简洁,处理过程中不需要把中枢元素移来移去,只是在其它元素完成基本排序后(前部分小于后部分元素)再把中枢元素放置到适当的位置。

    第二种实现(partition2方法): 以第一个元素为中枢元素,刚开始时使用低指针指向中枢元素。当中枢元素在低指针位置时,此时我们判断高指针指向的元素是否小于中枢元素,如果大于中枢元素 则高指针继续向头移动,如果小于则与中枢元素交换,此时中枢元素被移到了高指针位置;当中枢元素在高指针位置时,我们此时判断低指针指向的元素是否大于中 枢元素,如果小于中枢元素则低指针继续向尾移动,如果大于则与中枢元素交换,此时中枢元素又回到了低指针位置;这时是拿高还是低指针所指向的元素与中枢比 较时根据前面逻辑来处理,直到高低指针指向同一位置则完成一轮排序,然后再对中枢元素两边的序列进行同样的操作直到排序完成 此种实现逻辑比较好理解,中枢元素的永远在低指针或指针所指向的位置,每次找到需处理的元 素后,要与中枢交换,中枢就像皮球一样从这里踢到那里,又从那里踢到这里。但此种实现会频繁地交换中枢元素,性能可能不如第一种。

    第三种实现(partition3方法): 此种方式与前两种方式不太一样,同时移动高低指针,低指针向尾找出大于等于中枢的元素,而高向头找出小于中枢的元素,待两者都找出后交换高低指针所指向的 元素,直到高低指针指向同一位置止,然后比较中枢与高低指针所指向的元素大小,如果中枢元素大,则直接与高低指针元素交换,如果中枢元素小于等于高低指针 元素,则中枢元素与高低指针前一元素交换,完成一轮比较,然后再对中枢元素两边的序列进行同样的操作直到排序完成

    此种方式有点难度,在移动元素时要注意的是:与中枢相等的元素也要向集合后部移动,不然的话如[3,3,0,3,3]第一轮排序结果不准确,虽然最后结果 正确。当中枢后面的元素集合移动完成后,还得要把中枢元素放置在集合中的合适位置,这就需要找准集合中前部分与后部分的边界,最后只能把中枢元素与最后一 个小于中枢的元素进位置互换。但此种实现方式与第一种有点像,也不需要把中枢元素调来调去的,而是待后面集合排序完成后将中枢放入适当位置。

    package sort;
    
    import java.util.Arrays;
    import java.util.Comparator;
    
    /**
     * 快速排序算法
     *
     * @param <E>
     * @author jzj
     * @date 2009-12-9
     */
    public class QuickSort<E extends Comparable<E>> extends Sort<E> {
    
        /**
         * 排序算法的实现,对数组中指定的元素进行排序
         *
         * @param array 待排序的数组
         * @param from  从哪里开始排序
         * @param end   排到哪里
         * @param c     比较器
         */
        publicvoid sort(E[] array, int from, int end, Comparator<E> c) {
            quickSort(array, from, end, c);
        }
    
        /**
         * 递归快速排序实现
         *
         * @param array 待排序数组
         * @param low   低指针
         * @param high  高指针
         * @param c     比较器
         */
        private void quickSort(E[] array, int low, int high, Comparator<E> c) {  
            /* 
           * 如果分区中的低指针小于高指针时循环;如果low=higth说明数组只有一个元素,无需再处理; 
           * 如果low > higth,则说明上次枢纽元素的位置pivot就是low或者是higth,此种情况 
           * 下分区不存,也不需处理 
          */
            if (low < high) {
                //对分区进行排序整理  
                int pivot = partition1(array, low, high, c);  
                /* 
               * 以pivot为边界,把数组分成三部分[low, pivot - 1]、[pivot]、[pivot + 1, high] 
                * 其中[pivot]为枢纽元素,不需处理,再对[low, pivot - 1]与[pivot + 1, high] 
                * 各自进行分区排序整理与进一步分区 
                 */
                quickSort(array, low, pivot - 1, c);
                quickSort(array, pivot + 1, high, c);
            }
    
        }
    
        /**
         * 实现一
         *
         * @param array 待排序数组
         * @param low   低指针
         * @param high  高指针
         * @param c     比较器
         * @return int 调整后中枢位置
         */
        private int partition1(E[] array, int low, int high, Comparator<E> c) {
            E pivotElem = array[low];//以第一个元素为中枢元素  
            //从前向后依次指向比中枢元素小的元素,刚开始时指向中枢,也是小于与大小中枢的元素的分界点  
            int border = low;  
    
           /* 
          * 在中枢元素后面的元素中查找小于中枢元素的所有元素,并依次从第二个位置从前往后存放 
            * 注,这里最好使用i来移动,如果直接移动low的话,最后不知道数组的边界了,但后面需要 
             * 知道数组的边界 
            */
            for (int i = low + 1; i <= high; i++) {
                //如果找到一个比中枢元素小的元素  
                if (c.compare(array[i], pivotElem) < 0) {
                    swap(array, ++border, i);//border前移,表示有小于中枢元素的元素  
                }
            }  
          /* 
           * 如果border没有移动时说明说明后面的元素都比中枢元素要大,border与low相等,此时是 
           * 同一位置交换,是否交换都没关系;当border移到了high时说明所有元素都小于中枢元素,此 
            * 时将中枢元素与最后一个元素交换即可,即low与high进行交换,大的中枢元素移到了 序列最 
          * 后;如果 low <minIndex< high,表 明中枢后面的元素前部分小于中枢元素,而后部分大于 
           * 中枢元素,此时中枢元素与前部分数组中最后一个小于它的元素交换位置,使得中枢元素放置在 
           * 正确的位置 
            */
            swap(array, border, low);
            return border;
        }
    
        /**
         * 实现二
         *
         * @param array 待排序数组
         * @param low   待排序区低指针
         * @param high  待排序区高指针
         * @param c     比较器
         * @return int 调整后中枢位置
         */
        private int partition2(E[] array, int low, int high, Comparator<E> c) {
            int pivot = low;//中枢元素位置,我们以第一个元素为中枢元素  
            //退出条件这里只可能是 low = high  
            while (true) {
                if (pivot != high) {//如果中枢元素在低指针位置时,我们移动高指针  
                    //如果高指针元素小于中枢元素时,则与中枢元素交换  
                    if (c.compare(array[high], array[pivot]) < 0) {
                        swap(array, high, pivot);
                        //交换后中枢元素在高指针位置了  
                        pivot = high;
                    } else {//如果未找到小于中枢元素,则高指针前移继续找  
                        high--;
                    }
                } else {//否则中枢元素在高指针位置  
                    //如果低指针元素大于中枢元素时,则与中枢元素交换  
                    if (c.compare(array[low], array[pivot]) > 0) {
                        swap(array, low, pivot);
                        //交换后中枢元素在低指针位置了  
                        pivot = low;
                    } else {//如果未找到大于中枢元素,则低指针后移继续找  
                        low++;
                    }
                }
                if (low == high) {
                    break;
                }
            }
            //返回中枢元素所在位置,以便下次分区  
            return pivot;
        }
    
        /**
         * 实现三
         *
         * @param array 待排序数组
         * @param low   待排序区低指针
         * @param high  待排序区高指针
         * @param c     比较器
         * @return int 调整后中枢位置
         */
        private int partition3(E[] array, int low, int high, Comparator<E> c) {
            int pivot = low;//中枢元素位置,我们以第一个元素为中枢元素  
            low++;
            //----调整高低指针所指向的元素顺序,把小于中枢元素的移到前部分,大于中枢元素的移到后面部分  
            //退出条件这里只可能是 low = high  
    
            while (true) {
                //如果高指针未超出低指针  
                while (low < high) {
                    //如果低指针指向的元素大于或等于中枢元素时表示找到了,退出,注:等于时也要后移  
                    if (c.compare(array[low], array[pivot]) >= 0) {
                        break;
                    } else {//如果低指针指向的元素小于中枢元素时继续找  
                        low++;
                    }
                }
    
                while (high > low) {
                    //如果高指针指向的元素小于中枢元素时表示找到,退出  
                    if (c.compare(array[high], array[pivot]) < 0) {
                        break;
                    } else {//如果高指针指向的元素大于中枢元素时继续找  
                        high--;
                    }
                }
                //退出上面循环时 low = high  
                if (low == high) {
                    break;
                }
    
                swap(array, low, high);
            }
    
            //----高低指针所指向的元素排序完成后,还得要把中枢元素放到适当的位置  
            if (c.compare(array[pivot], array[low]) > 0) {
                //如果退出循环时中枢元素大于了低指针或高指针元素时,中枢元素需与low元素交换  
                swap(array, low, pivot);
                pivot = low;
            }
            elseif(c.compare(array[pivot], array[low]) <= 0) {
                swap(array, low - 1, pivot);
                pivot = low - 1;
            }
    
            //返回中枢元素所在位置,以便下次分区  
            return pivot;
        }
    
        /**
         * 测试
         *
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            Integer[] intgArr = {3, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
            QuickSort<Integer> sort = new QuickSort<Integer>();
            QuickSort.testSort(sort, intgArr);
            QuickSort.testSort(sort, null);
        }
    }
    
    归并排序
    package sort;
    
    import java.lang.reflect.Array;
    import java.util.Comparator;
    
    /**
     * 归并排序算法
     *
     * @param <E>
     * @author jzj
     * @date 2009-12-11
     */
    public class MergeSort<E extends Comparable<E>> extends Sort<E> {
    
        /**
         * 排序算法的实现,对数组中指定的元素进行排序
         *
         * @param array 待排序的数组
         * @param from  从哪里开始排序
         * @param end   排到哪里
         * @param c     比较器
         */
        public void sort(E[] arr, int from, int end, Comparator<E> c) {
            partition(arr, from, end, c);
    
        }
    
    
        /**
         * 递归划分数组
         *
         * @param arr
         * @param from
         * @param end
         * @param c    void
         */
        private void partition(E[] arr, int from, int end, Comparator<E> c) {
            //划分到数组只有一个元素时才不进行再划分  
            if (from < end) {
                //从中间划分成两个数组  
                int mid = (from + end) / 2;
                partition(arr, from, mid, c);
                partition(arr, mid + 1, end, c);
                //合并划分后的两个数组  
                merge(arr, from, end, mid, c);
    
            }
    
        }
    
    
        /**
         * 数组合并,合并过程中对两部分数组进行排序
         * 前后两部分数组里是有序的
         *
         * @param arr
         * @param from
         * @param end
         * @param mid
         * @param c    void
         */
        private void merge(E[] arr, int from, int end, int mid, Comparator<E> c) {
            E[] tmpArr = (E[]) Array.newInstance(arr[0].getClass(), end - from + 1);
            int tmpArrIndex = 0;//指向临时数组  
            int part1ArrIndex = from;//指向第一部分数组  
            int part2ArrIndex = mid + 1;//指向第二部分数组  
    
            //由于两部分数组里是有序的,所以每部分可以从第一个元素依次取到最后一个元素,再对两部分  
            //取出的元素进行比较。只要某部分数组元素取完后,退出循环  
            while ((part1ArrIndex <= mid) && (part2ArrIndex <= end)) {
                //从两部分数组里各取一个进行比较,取最小一个并放入临时数组中  
                if (c.compare(arr[part1ArrIndex], arr[part2ArrIndex]) < 0) {
                    //如果第一部分数组元素小,则将第一部分数组元素放入临时数组中,并且临时数组指针  
                    //tmpArrIndex下移一个以做好下次存储位置准备,前部分数组指针part1ArrIndex  
                    //也要下移一个以便下次取出下一个元素与后部分数组元素比较  
                    tmpArr[tmpArrIndex++] = arr[part1ArrIndex++];
    
                } else {
                    //如果第二部分数组元素小,则将第二部分数组元素放入临时数组中  
                    tmpArr[tmpArrIndex++] = arr[part2ArrIndex++];
    
                }
    
            }
            //由于退出循环后,两部分数组中可能有一个数组元素还未处理完,所以需要额外的处理,当然不可  
            //能两部分数组都有未处理完的元素,所以下面两个循环最多只有一个会执行,并且都是大于已放入  
            //临时数组中的元素  
            while (part1ArrIndex <= mid) {
                tmpArr[tmpArrIndex++] = arr[part1ArrIndex++];
    
            }
            while (part2ArrIndex <= end) {
                tmpArr[tmpArrIndex++] = arr[part2ArrIndex++];
    
            }
    
            //最后把临时数组拷贝到源数组相同的位置  
            System.arraycopy(tmpArr, 0, arr, from, end - from + 1);
    
        }
    
    
        /**
         * 测试
         *
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            Integer[] intgArr = {5, 9, 1, 4, 1, 2, 6, 3, 8, 0, 7};
            MergeSort<Integer> insertSort = new MergeSort<Integer>();
            Sort.testSort(insertSort, intgArr);
            Sort.testSort(insertSort, null);
        }
    
    }
    
    基数排序

    基数排序的主要思路是,将所有待比较数值(注意,必须是正整数)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, 依次进行一次稳定排序.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。

    它的理论比较容易理解,但实现却有一点绕。

    package sort;
    
    import java.util.Arrays;
    
    public class RadixSort {
    
        /**
         * 取数x上的第d位数字
         *
         * @param x 数
         * @param d 第几位,从低位到高位
         * @return
         */
        public int digit(long x, long d) {
    
            long pow = 1;
            while (--d > 0) {
                pow *= 10;
            }
            return (int) (x / pow % 10);
        }
    
        /**
         * 基数排序实现,以升序排序(下面程序中的位记录器count中,从第0个元素到第9个元素依次用来
         * 记录当前比较位是0的有多少个..是9的有多少个数,而降序时则从第0个元素到第9个元素依次用来
         * 记录当前比较位是9的有多少个..是0的有多少个数)
         *
         * @param arr   待排序数组
         * @param digit 数组中最大数的位数
         * @return
         */
        public long[] radixSortAsc(long[] arr) {
            //从低位往高位循环  
            for (int d = 1; d <= getMax(arr); d++) {
                //临时数组,用来存放排序过程中的数据  
                long[] tmpArray = newlong[arr.length];
                //位记数器,从第0个元素到第9个元素依次用来记录当前比较位是0的有多少个..是9的有多少个数  
                int[] count = newint[10];
                //开始统计0有多少个,并存储在第0位,再统计1有多少个,并存储在第1位..依次统计到9有多少个  
                for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                    count[digit(arr[i], d)] += 1;
                }  
               /* 
                * 比如某次经过上面统计后结果为:[0, 2, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0]则经过下面计算后 结果为: 
                * [0, 2, 5, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8]但实质上只有如下[0, 2, 5, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0]中 
                * 非零数才用到,因为其他位不存在,它们分别表示如下:2表示比较位为1的元素可以存放在索引为1、0的 
                * 位置,5表示比较位为2的元素可以存放在4、3、2三个(5-2=3)位置,8表示比较位为3的元素可以存放在 
                * 7、6、5三个(8-5=3)位置 
                */
                for (int i = 1; i < 10; i++) {
                    count[i] += count[i - 1];
                }  
    
              /* 
               * 注,这里只能从数组后往前循环,因为排序时还需保持以前的已排序好的 顺序,不应该打 
               * 乱原来已排好的序,如果从前往后处理,则会把原来在前面会摆到后面去,因为在处理某个 
               * 元素的位置时,位记数器是从大到到小(count[digit(arr[i], d)]--)的方式来处 
              * 理的,即先存放索引大的元素,再存放索引小的元素,所以需从最后一个元素开始处理。 
               * 如有这样的一个序列[212,213,312],如果按照从第一个元素开始循环的话,经过第一轮 
                 * 后(个位)排序后,得到这样一个序列[312,212,213],第一次好像没什么问题,但问题会 
                 * 从第二轮开始出现,第二轮排序后,会得到[213,212,312],这样个位为3的元素本应该 
                 * 放在最后,但经过第二轮后却排在了前面了,所以出现了问题 
                 */
                for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {//只能从最后一个元素往前处理  
                    //for (int i = 0; i < arr.length; i++) {//不能从第一个元素开始循环  
                    tmpArray[count[digit(arr[i], d)] - 1] = arr[i];
                    count[digit(arr[i], d)]--;
                }
    
                System.arraycopy(tmpArray, 0, arr, 0, tmpArray.length);
            }
            return arr;
        }
    
        /**
         * 基数排序实现,以降序排序(下面程序中的位记录器count中,从第0个元素到第9个元素依次用来
         * 记录当前比较位是0的有多少个..是9的有多少个数,而降序时则从第0个元素到第9个元素依次用来
         * 记录当前比较位是9的有多少个..是0的有多少个数)
         *
         * @param arr 待排序数组
         * @return
         */
        public long[] radixSortDesc(long[] arr) {
            for (int d = 1; d <= getMax(arr); d++) {
                long[] tmpArray = newlong[arr.length];
                //位记数器,从第0个元素到第9个元素依次用来记录当前比较位是9的有多少个..是0的有多少个数  
                int[] count = newint[10];
                //开始统计0有多少个,并存储在第9位,再统计1有多少个,并存储在第8位..依次统计  
                //到9有多少个,并存储在第0位  
                for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                    count[9 - digit(arr[i], d)] += 1;
                }
    
                for (int i = 1; i < 10; i++) {
                    count[i] += count[i - 1];
                }
    
                for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {
                    tmpArray[count[9 - digit(arr[i], d)] - 1] = arr[i];
                    count[9 - digit(arr[i], d)]--;
                }
    
                System.arraycopy(tmpArray, 0, arr, 0, tmpArray.length);
            }
            return arr;
        }
    
        private int getMax(long[] array) {
            int maxlIndex = 0;
            for (int j = 1; j < array.length; j++) {
                if (array[j] > array[maxlIndex]) {
                    maxlIndex = j;
                }
            }
            return String.valueOf(array[maxlIndex]).length();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            long[] ary = newlong[]{
                123, 321, 132, 212, 213, 312, 21, 223
            } ;
            RadixSort rs = new RadixSort();
            System.out.println("升 - " + Arrays.toString(rs.radixSortAsc(ary)));
    
            ary = newlong[]{
                123, 321, 132, 212, 213, 312, 21, 223
            } ;
            System.out.println("降 - " + Arrays.toString(rs.radixSortDesc(ary)));
        }
    }
    

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