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这是一个创建于 590 天前的主题，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

重新整理了一遍排序算法，结合自己开发的算法宝 App的录屏，转成 webp 动画一起分享给大家，适合新手入门。

概述

排序的复杂度一览

算法	时间复杂度:最好	时间复杂度:平均	时间复杂度:最坏	空间复杂度:最坏	稳定性
冒泡排序	O(n)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	稳定
选择排序	O(n^2)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	不稳定
插入排序	O(n)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	稳定
希尔排序	O(n)	O(n^3/2)	O(n^2)	O(1)	不稳定
快速排序	O(nlogn)	O(nlogn)	O(n^2)	O(logn)	不稳定
归并排序	O(nlogn)	O(nlogn)	O(nlogn)	O(n)	稳定
计数排序	O(n+k)	O(n+k)	O(n+k)	O(k)	稳定
基数排序	O(nk)	O(nk)	O(nk)	O(n+k)	稳定
堆排序	O(nlogn)	O(nlogn)	O(nlogn)	O(1)	不稳定

时间复杂度(time complexity)

用来描述算法的运行时间。常用大 O 符号表述。比如：O(n)，O(1)，O(logn)，O(n^2)等。举例： O(n)表示线性级复杂度，表示时间复杂度和元素 element 数量 n 成正比。比如数组的线性查找的复杂度随着元素数量增加而增加。 O(1)表示常数级复杂度，表示时间复杂度不随元素 element 数量变化而变化。比如链表的插入的复杂度不随链表节点数量变化而变化。其他常见的复杂度如下图所示：

空间复杂度(Space Complexity)

对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的量度。也可用大 O 符号表述。举例： O(n)表示线性级复杂度，表示算法所需空间大小和元素数量成正比，比如归并排序，需要额外的临时空间来保存两个数组的合并结果，元素越多所需空间越大。 O(n)表示常数级复杂度，表示算法所需空间大小和元素数量无关。

排序的稳定性

稳定：相等的两个数，排序前后两数的顺序保持不变。
不稳定：相等的两个数，排序前后两数的顺序发生变化。

冒泡排序(Bubble Sort)

动图

核心思路

将数组分为左右两部分，左为无序部分，右为有序部分。无序部分中的最大数在每次遍历结束后被交换到无序部分的最右侧，继而成为有序部分的最左侧元素，就像冒泡一样。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
    let n = a.count
    for i in 0..<n-1 {
        var isSorted = true
        for j in 0..<n-1-i {
            if a[j] > a[j+1] {
                a.swapAt(j, j+1)
                isSorted = false
            }
        }
        if isSorted {
            break
        }
    }
}

代码讲解

使用双重循来遍历，把双重循环分为内循环和外循环。

内循环：从左往右处理无序部分，使用下标 j 遍历，比较相邻元素大小，交换位置成为左小右大，一次遍历后，无序部分中最大数被交换到无序部分的最右处，继而加入有序部分的最左侧。
外循环： i 可理解为有序部分的数量，每次内循环结束，有序部分数量增加一个，无序部分数量减少一个。

特点

两两比较，不存在跳跃，所以稳定。每次遍历都能检查数组是否有序，可提前退出排序，但是冒泡的交换在内循环，交换次数多。实际效率比选择排序低。

复杂度分析

最好的情况可以达到 O(n)，最坏的情况是 O(n^2)，平均 O(n^2)。

选择排序(Selection Sort)

动图

核心思路

将数组分为左右两部分，左为有序部分，右为无序部分。无序部分每次遍历选择出一个最小的元素，交换到无序部分的最左侧，继而成为有序部分的最右侧元素。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
    let n = a.count
    for i in 0..<n-1 {
        var iMin = i
        for j in i+1..<n {
            if a[iMin] > a[j] {
                iMin = j
            }
        }
        a.swapAt(i, iMin)
    }
}

代码讲解

使用双重循来遍历，把双重循环分为内循环和外循环。

内循环：从左往右处理无序部分，使用下标 j 遍历，每次遍历后保存下无序部分中最小数的位置 iMin 。
外循环： i 为无序部分的首元素位置，其左侧为有序部分，将有序部分排除在内循环外。每次内循环结束，将内循环保存的 iMin 和 i 位置的连个元素交换，使有序部分数量增加一个，无序部分数量减少一个。

特点

由于交换动作放在外循环，交换次数少于冒泡，实际效率优于冒泡。除非本来就是有序的数组的最好情况，选择排序还是要进行比较和交换，而冒泡排序一次 n 的遍历就能提前退出。 不稳定，举个例子，序列 5 8 5 2 9 ，我们知道第一遍选择第 1 个元素 5 会和 2 交换，那么原序列中 2 个 5 的相对前后顺序就被破坏了）

复杂度分析

最好情况 O(n^2)，最坏情况 O(n^2)，平均 O(n^2)。

插入排序(Insertion Sort)

动图

核心思路

将数组分为左右两部分，左为有序部分，右为无序部分。遍历有序部分，将无序部分首元素，根据其大小在有序部分寻找合适的位置并插入。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
    let n = a.count
    for i in 1..<n {
        print(" i=\(i)")
        let value = a[i]
        var hole = i
        while hole > 0 && a[hole-1] > value {
            a[hole] = a[hole-1]
            hole -= 1
        }
        a[hole] = value
    }
}

代码讲解

使用双重循来遍历，把双重循环分为内循环和外循环。

内循环：每次从无序部分的首元素 value 的位置开始，从右向左，在有序部分中遍历，比较每一个元素，凡是比 value 大的元素，都向右移动一位，遍历结束后空出来的位置 hole 就是 value 的插入位置。
外循环： i 可理解为有序部分的数量，同时也是无序部分的首元素的位置。每次外循环 value 都作为无序部分首元素，需通过内循环在有序部分寻找一个合适的位置 hole 并将其插入。

特点

选择排序的比较开销是固定的 n(n-1)/2,而插入排序平均下来是 n(n-1)/4 。选择排序最多只需要执行 2(n-1)次交换，而插入排序平均的交换开销也是 n(n-1)/4 。这就取决于单次比较和交换的开销之比。如果是一个量级的，则插入排序优于选择排序，如果交换开销远大于插入开销，则插入排序可能比选择排序慢。两两比较，不存在跳跃，所以稳定。

复杂度分析

最好情况 O(n)，最坏情况 O(n^2)，平均 O(n^2)。

希尔排序(Shell Sort)

动图

核心思路

在插入排序基础上引入增量 gap 概念，是插入排序的改进。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
    let n = a.count
    var gap = n / 2
    while gap > 0 {
        for i in gap..<n {
            let value = a[i]
            var hole = i
            while hole > 0 && a[hole-1] > value {
                a[hole] = a[hole-1]
                hole -= 1
            }
            a[hole] = value
        }
        gap /= 2
    }
}

代码讲解

当增量 gap 为半数时，在整个数组中选取右边 1/2 部分进行插入排序，在此结果上在整个数组中选取右边 3/4 部分进行插入排序，反复这个过程，直到最后一次对整个数组做插入排序，最终成为有序数组。每次做插入排序的部分从 gap 开始，每次扩大做插入排序的范围。

特点

希尔排序算法 1959 年提出，是直接插入排序算法的一种改进，减少了移动次数，平均时间复杂度比插入快。是第一批时间复杂度低于 O(n^2)的排序算法。插入排序是稳定的，而 shell 排序会分组，相同的数分在不同的组内各自进行移动打破稳定性。所以不稳定。

复杂度分析

gap /= 2 表示折半的方式选取增量。究竟应该选取什么样的增量才是最好，目前还有数学上的定论。最坏的情况是 O(n^2)，在使用了增量后，平均时间复杂度 O(n^(3/2))。

快速排序(Quick Sort)

动图

核心思路

将数组最右侧的元素作为一个参照值 pivot，以参照值为标准，将数组拆分 patition 为 3 个部分：比参照值小的部分，参照值，比参照值大的部分。将这个过程再分别应用到较小部分和较大部分中继续拆分，直到所有部分被拆分成 1 个元素无法再拆分，就完成了排序。这是一个分而治之的方法，也是一个递归的过程。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>, start: Int, end: Int){
    if start < end {
        let partitionIndex = partition(&a, start: start, end: end)
        sort(&a, start: start, end: partitionIndex-1 )
        sort(&a, start: partitionIndex+1, end: end )
    }
}
    
func partition(_ a:inout Array<Int>, start: Int, end: Int) -> Int {
    let pivot = a[end]
    var partitionIndex = start
    for i in start..<end {
        if a[i] <= pivot {
            a.swapAt(i, partitionIndex)
            partitionIndex += 1
        }
    }
    a.swapAt(partitionIndex, end)
    return partitionIndex
}

代码讲解

每次递归将数组拆分成前部，基准值，后部 3 部分，前部比后部小。按此方法再递归调用前，后部分，最终达到从小到大的排序。

partition()拆分将数组 a 的 start 到 end 区间拆分为三部分。区间内选择一个参照值，通常可选 start 或者 end 的值为参照。因为区间拆分前无序，任何一个值都可作为参照，这里我们选择 end 的值作为参照值 pivot 。因为 pivot 作为 end ，所以区间遍历使用 i 从 start 到 end-1 ，并假设参照值位置为 pt 初始为 start 。将比参照值小的元素交换到 pt ，pt 的右侧位置就是参照值的位置，所以 pt+=1 ，遍历结束，将参照值交换到 pt ，并返回参照值的位置。
sort()递归分治调用 partition()拆分数组，返回拆分后参照值位置 pt ，那么数组前部分的区间是 start 到 pt-1 ，后部分的区间为 pt+1 到 end 。对着两部分继续递归调用 sort()。当数组被拆分为 1 个元素，即 start 等于 end 的时候，则停止分治，退出递归。

特点

快速排序是一种交换类的排序，它同样是分治法的经典体现。如果 pivot 的值有重复，pivot 作为参照放在前后两部中间有可能打破稳定性，所以不稳定。

复杂度分析

待排序数组最终被拆分成深度为 logn+1 的二叉树。拆分次数为 logn 。第一次拆分时，总共的执行时间是 Cn(C 为固定的单位时间常数)；第二次拆分时，每个子序列的执行时间为 Cn/2 ，总的执行时间是 Cn/2+Cn/2=Cn ；第三次拆分时，总时间时 Cn/4+Cn/4+Cn/4+Cn/4+=Cn ，所以每次执行复杂度都是 Cn 。每次执行复杂度 Cn * 拆分次数 log(n) = 快排复杂度 O(nlogn)。最坏情况 O(n^2)。

归并排序(Merge Sort)

动图

核心思路

将两个有序数组，合并为一个新的有序数组就是做归并。归并排序中，将数组从中间分解为左右两部分，将这个过程再应用到左右部分中继续分解。最后把 n 个元素的数组分解为只有 1 个元素的 n 个数组。这种情况下，满足两个有序数组进行的归并条件，开始再两两归并，直到合并出一个新的有序数组就完成了排序。这是一个分而治之的方法，同时也是一个递归的过程。

代码

func sort(a: [Int]) -> [Int] {
    let n = a.count
    if n == 1 {
        return a
    }
    var left = Array(a[0..<n/2])
    var right = Array(a[n/2..<n])
    left = sort(a: left)
    right = sort(a: right)
    let m = merge(left: left, right: right)
    return m
}

func merge(left: [Int], right: [Int]) -> [Int] {
    var mergedList = [Int]()
    while left.count > 0 && right.count > 0 {
        if left.first! < right.first! {
            mergedList.append(left.first!)
            left.removeFirst()
        } else {
            mergedList.append(right.first!)
            r.removeFirst()
        }
    }
    return mergedList + left + right
}

代码讲解

sort()将数组 a 从中间分为 left 和 right 两部分。再将 left 和 right 再递归调用 sort 继续分解。将分解的结果传入 merge()进行归并。
merge()合并 left 和 right 两个有序数组，返回合并后的有序数组。将 left 和 right 两个数组同时开始遍历，对比两个数组的首元素，将较小的元素填入 mergedList ，并在原数组中删除。当遍历结束后，left 或 right 还不为空，说明该数组元素都大于 mergedList ，加入在 mergedList 尾部即可。

特点

该算法采用经典的分治（ divide-and-conquer ）策略。分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解。两两比较，不存在跳跃，所以稳定。

复杂度分析

归并排序的效率是比较高的，设数列长为 n ，将数列分开成小数列一共要 logn 步，每步都是一个合并有序数列的过程，时间复杂度可以记为 O(n)，故一共为 O(nlogn)。对空间有要求，空间复杂度 O(n)。所以，归并排序是一种比较占用内存，但却效率高且稳定的算法。

计数排序(Counting Sort)

动图

核心思路

通过前面元素出现的累计次数确定当前元素的位置，比如第一个元素 1 出现 3 次，那么元素 2 的位置从第 4 个开始，元素 2 出现 4 次，那么元素 3 的位置从第 8 个开始。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>) {
    let max = a.max() ?? 0
    let min = a.min() ?? 0
    let k = max - min + 1
    var counts = [Int](repeating: 0, count: k)
    for item in a {
        let i =  item - min
        counts[i] += 1
    }
    var prefixSums: [Int] = counts
    for i in 1..<counts.count {
        prefixSums[i] = prefixSums[i - 1] + counts[i]
    }
    var sorted = [Int](repeating: 0, count: a.count)
    for i in 0..<a.count {
        let key = a[i]
        let index = key - min
        let prefixSum = prefixSums[index]
        sorted[prefixSum - 1] = key
        prefixSums[index] -= 1
    }
    a = sorted
}

代码讲解

在无序数组中，先找出最大值 max 和最小值 min ，从而确定需要开辟 max-min+1 大小空间的计数数组和累计数组。

计数数组：保存每个元素出现的次数。比如 1 出现 2 次，2 出现 3 次。
累计数组：保存前面元素累计出现的次数。比如，1 出现 3 次，累计 3 次； 2 出现 4 次，累计 3+4=7 次； 3 出现 1 次，累计 7+1=8 次。累计次数-1 就是元素有序的位置。

特点

计数排序是一个稳定的非比较排序算法。它的优势在于在对一定范围内的整数排序，比如对 1 万名学生的考试分数做排序。计数排序是一种以空间换时间的排序算法，整数大小差异越大，所需要的空间越大。

复杂度分析

计数数组的大小为 k ，无序数组大小为 n ，复杂度为Ο(n+k)，所以时间复杂度是 O(n)；由于申请了大小为 k 的桶来放计数，所以空间复杂度是 O(k)。

基数排序(Radix Sort)

动图

核心思路

是一种非比较的整数排序算法。其原理是将整数按位数切割成不同的数字，然后对每个位数上的数字进行分别比较。第一轮先按个位数大小排序，第二轮按十位数大小排序，一直进行到最高位。实际上是也一种桶排序，从 0 到 9 一共分 10 个桶。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
    let maxValue = a.max() ?? 0
    var buckets = [[Int]](repeating: [], count: 10)
    var powerOfTen = 1
    while maxValue / powerOfTen > 0 {
        a = a.compactMap { value in
            buckets[value / powerOfTen % 10].append(value)
            return nil
        }
        buckets = buckets.map { bucket in
            bucket.forEach { value in
                a.append(value)
            }
            return []
        }
        powerOfTen *= 10
    }
}

代码讲解

先找到最大数，算出最大数有几位，则进行几次桶排序。 powerOfTen 初始为 1 ，每次 while 循环则乘以 10 倍，这样 while 循环的次数就是最大数的位数。 10 个桶，当进行个位数比较的时候，桶 n 保存个位为 n 的元素，当进行十位数比较的时候，桶 n 保存十位为 n 的元素。

特点

是一种非比较的稳定的整数排序算法。不适用于数字的位数 k 多，但是排序的数少的情况；适用于数字小但是排序的数字多的情况。

复杂度分析

复杂度是 O(n*k)。其中 n 是排序元素个数，每轮处理的操作数目； k 是数字位数，决定了进行多少轮处理。并不一定优于 O(n·logn)，当 k>logn ，就没有归并、堆排序快。

堆排序(Heap Sort)

相关概念：

完全二叉树：其每个结点的编号跟满二叉树都能一一对应。
堆：是一个完全二叉树，其每个结点的值都大于等于其子结点的值称为大顶堆。
满二叉树：所有分支结点都有左右子结点，所有子结点都在同一层上。

动图

核心思路

大顶堆的顶是最大的，所以堆排序的过程就是反复的构造堆。第一次构建的堆顶最大，和堆尾交换放在数组最后一位，第二次构建的堆的堆顶第二大，放在倒数第二位，以此类推进行排序。

代码

func sort(_ a:inout Array<Int>){
	// 构建初始堆
    createHeap(a: &a)
    // 重建堆。逆序遍历反复构建大顶堆，遍历一次，顶被摘掉放入结果数组 a 尾部，直到最后无法构建堆，结果就是有序数组 a
    for index in a.indices.reversed() {
        siftDown(from: 0, upTo: index, a: &a)
    }
}

func createHeap(a:inout Array<Int>) {
    if !a.isEmpty {
        //从 a.count/2 - 1 开始到 0 结束，逆序遍历。a.count/2 - 1 是第一个非叶子节点，向根部遍历
        for i in stride(from: a.count/2 - 1, through: 0, by: -1) {
            siftDown(from: i, upTo: a.count, a: &a)
        }
    }
}

func siftDown(from index: Int, upTo size: Int, a:inout Array<Int>) {
    var parent = index
    while true {
        let left = a[leftChildIndex(ofParentAt: parent)]
        let right = a[rightChildIndex(ofParentAt: parent)]
        var candidate = parent
        if left < size && a[left] > a[candidate] {
            candidate = left
        }
        if right < size && a[right] > a[candidate] {
            candidate = right
        }
        if candidate == parent {
            return
        }
        a.swapAt(parent, candidate)
        parent = candidate
    }
}
// 在树的顺序存储中，返回 i 的左子节点的下标
func leftChildIndex(ofParentAt i: Int) -> Int {
    return (2 * i) + 1
}
// 在树的顺序存储中，返回 i 的右子节点的下标
func rightChildIndex(ofParentAt i: Int) -> Int {
    return (2 * i) + 2
}

代码讲解

先构建堆，可以是大顶堆（也可以是小顶堆）。交换堆顶[0]元素（堆中最大）与末尾[index]元素，再将[0 ，--index]的堆调整为大顶堆。重复到 index 为 0 。

特点

堆尾如果有重复，被交换到数组首再构建堆，会打破稳定性，所以不稳定（记录的比较和交换是跳跃式进行的）。

复杂度分析

整体主要由构建初始堆和重建堆两部分组成。其中构建初始堆经推导复杂度为 O(n)，在交换并重建堆的过程中，需交换 n-1 次；而重建堆的过程中，根据完全二叉树的性质，[log2(n-1),log2(n-2)...1]逐步递减，近似为 nlogn 。所以堆排序时间复杂度一般认为就是 O(nlogn)级。，空间复杂度是 O(1)。

排序

int

sort

left

32 条回复 • 2023-09-26 10:27:31 +08:00