前言:
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快速排序由C. A. R. Hoare在1962年提出。
它的基本思想是:通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分:分割点左边都是比它小的数,右边都是比它大的数。
然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序,整个排序过程可以递归进行,以此达到整个数据变成有序序列。
详细的图解往往比大堆的文字更有说明力,所以直接上图:
上图中,演示了快速排序的处理过程:
初始状态为一组无序的数组:2、4、5、1、3。
经过以上操作步骤后,完成了第一次的排序,得到新的数组:1、2、5、4、3。
新的数组中,以2为分割点,左边都是比2小的数,右边都是比2大的数。
因为2已经在数组中找到了合适的位置,所以不用再动。
2左边的数组只有一个元素1,所以显然不用再排序,位置也被确定。(注:这种情况时,left指针和right指针显然是重合的。因此在代码中,我们可以通过设置判定条件left必须小于right,如果不满足,则不用排序了)。
而对于2右边的数组5、4、3,设置left指向5,right指向3,开始继续重复图中的一、二、三、四步骤,对新的数组进行排序。
核心代码
public int division(int[] list, int left, int right) {
// 以最左边的数(left)为基准
int base = list[left];
while (left < right) {
// 从序列右端开始,向左遍历,直到找到小于base的数
while (left < right && list[right] >= base)
right--;
// 找到了比base小的元素,将这个元素放到最左边的位置
list[left] = list[right];
// 从序列左端开始,向右遍历,直到找到大于base的数
while (left < right && list[left] <= base)
left++;
// 找到了比base大的元素,将这个元素放到最右边的位置
list[right] = list[left];
}
// 最后将base放到left位置。此时,left位置的左侧数值应该都比left小;
// 而left位置的右侧数值应该都比left大。
list[left] = base;
return left;
}
private void quickSort(int[] list, int left, int right) {
// 左下标一定小于右下标,否则就越界了
if (left < right) {
// 对数组进行分割,取出下次分割的基准标号
int base = division(list, left, right);
System.out.format("base = %d:", list[base]);
printPart(list, left, right);
// 对“基准标号“左侧的一组数值进行递归的切割,以至于将这些数值完整的排序
quickSort(list, left, base - 1);
// 对“基准标号“右侧的一组数值进行递归的切割,以至于将这些数值完整的排序
quickSort(list, base + 1, right);
}
}
算法分析
快速排序算法的性能
时间复杂度
当数据有序时,以第一个关键字为基准分为两个子序列,前一个子序列为空,此时执行效率最差。
而当数据随机分布时,以第一个关键字为基准分为两个子序列,两个子序列的元素个数接近相等,此时执行效率最好。
所以,数据越随机分布时,快速排序性能越好;数据越接近有序,快速排序性能越差。
空间复杂度
快速排序在每次分割的过程中,需要 1 个空间存储基准值。而快速排序的大概需要 Nlog2N次的分割处理,所以占用空间也是 Nlog2N 个。
算法稳定性
在快速排序中,相等元素可能会因为分区而交换顺序,所以它是不稳定的算法。
完整参考代码
JAVA版本
代码实现
1 public class QuickSort {
2
3 public int division(int[] list, int left, int right) {
4 // 以最左边的数(left)为基准
5 int base = list[left];
6 while (left < right) {
7 // 从序列右端开始,向左遍历,直到找到小于base的数
8 while (left < right && list[right] >= base)
9 right--;
10 // 找到了比base小的元素,将这个元素放到最左边的位置
11 list[left] = list[right];
12
13 // 从序列左端开始,向右遍历,直到找到大于base的数
14 while (left < right && list[left] <= base)
15 left++;
16 // 找到了比base大的元素,将这个元素放到最右边的位置
17 list[right] = list[left];
18 }
19
20 // 最后将base放到left位置。此时,left位置的左侧数值应该都比left小;
21 // 而left位置的右侧数值应该都比left大。
22 list[left] = base;
23 return left;
24 }
25
26 private void quickSort(int[] list, int left, int right) {
27
28 // 左下标一定小于右下标,否则就越界了
29 if (left < right) {
30 // 对数组进行分割,取出下次分割的基准标号
31 int base = division(list, left, right);
32
33 System.out.format("base = %d:", list[base]);
34 printPart(list, left, right);
35
36 // 对“基准标号“左侧的一组数值进行递归的切割,以至于将这些数值完整的排序
37 quickSort(list, left, base - 1);
38
39 // 对“基准标号“右侧的一组数值进行递归的切割,以至于将这些数值完整的排序
40 quickSort(list, base + 1, right);
41 }
42 }
43
44 // 打印序列
45 public void printPart(int[] list, int begin, int end) {
46 for (int i = 0; i < begin; i++) {
47 System.out.print("");
48 }
49 for (int i = begin; i <= end; i++) {
50 System.out.print(list[i] + "");
51 }
52 System.out.println();
53 }
54
55 public static void main(String[] args) {
56 // 初始化一个序列
57 int[] array = {
58 1, 3, 4, 5, 2, 6, 9, 7, 8, 0
59 };
60
61 // 调用快速排序方法
62 QuickSort quick = new QuickSort();
63 System.out.print("排序前:");
64 quick.printPart(array, 0, array.length - 1);
65 quick.quickSort(array, 0, array.length - 1);
66 System.out.print("排序后:");
67 quick.printPart(array, 0, array.length - 1);
68 }
69 }