C++实现快速排序原地分区 _ Lomuto与Hoare分区方案【源码】

轻墨大大_1475

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2026-04-16

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原创

lomuto分区易错因返回“≤pivot末索引”却被误作pivot位置,致区间重叠或遗漏;必须将pivot置末尾并执行swap归位;常见错误为越界或无限递归。

c++实现快速排序原地分区 _ lomuto与hoare分区方案【源码】

为什么Lomuto分区在C++里容易写错边界

因为partition函数返回的是“最后一个≤pivot元素的索引”,但新手常误以为是pivot最终位置,导致递归调用时左右区间重叠或遗漏一个元素。Lomuto方案必须确保pivot放在末尾,且循环结束时swap(arr[i], arr[high])——这个swap不能省,否则pivot没归位。

常见错误现象:std::out_of_range 或无限递归,多因low和high传参时没做if (low 检查;或者把<code>i初值设为low(应为low - 1)。

  • i从low - 1开始,每次遇到≤pivot就先++i再swap
  • 循环用j从low遍历到high - 1,不包含high(pivot所在)
  • 最后swap(arr[i + 1], arr[high]),返回i + 1——这才是pivot的终态下标

Hoare分区为何更难调试但性能更好

Hoare方案不用额外swap pivot,左右指针从两端向内收缩,在首次相遇时就完成分区,平均交换次数更少。但它不保证pivot落在返回索引上,返回值只是分界点,左右子数组都需递归——这点和Lomuto有本质区别,容易漏掉quick_sort(arr, low, pivot_index)中的pivot_index是否该包含。

典型错误:把while (arr[i] 写成<code>,或忘记在<code>do-while中加i 保护,导致越界访问;还有人直接用<code>return i,其实应返回j(或i,取决于实现方向),标准Hoare返回的是左半区右边界。

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  • 初始化i = low - 1, j = high + 1,然后do { ++i; } while (arr[i]
  • 对应do { --j; } while (arr[j] > pivot),两个do-while必须配对
  • 相遇判断用if (i >= j) return j,之后递归范围是[low, j]和[j + 1, high]

C++原地排序必须处理的三个细节

模板参数、迭代器支持和重复元素稳定性不是可选项,而是决定代码能否编译通过或跑出预期结果的关键。比如用std::vector<int>::iterator</int>传参时,low和high必须是同类型,不能混用int下标;又比如全相同元素时,Lomuto可能退化成O(n²),而Hoare在arr[i] == pivot时不移动指针,反而更鲁棒。

  • 模板函数声明建议用template <typename randomit typename compare="std::less<">></typename>,兼容自定义比较
  • 分区内避免int下标运算,统一用std::distance(low, high)判空,或直接if (low >= high) return
  • 为防栈溢出,小数组(如std::distance(low, high) )应切回<code>std::insertion_sort,但注意std::sort内部已做此优化,自己实现时别忘了

一个能直接粘贴测试的Hoare版完整片段

下面这段去掉注释就能跑,适用于std::vector<int></int>或原始数组指针,关键在于hoare_partition返回后,左右区间都含有效数据,递归时不能跳过任一端点:

template <typename t>
int hoare_partition(std::vector<t>& arr, int low, int high) {
    T pivot = arr[low];
    int i = low - 1, j = high + 1;
    while (true) {
        do { i++; } while (arr[i]  pivot);
        if (i >= j) return j;
        std::swap(arr[i], arr[j]);
    }
}
<p>void quick_sort(std::vector<int>& arr, int low, int high) {
if (low </int></p></t></typename>

真正容易被忽略的是:Hoare分区不固定pivot位置,所以无法像Lomuto那样用pivot值做后续剪枝;另外,当数组极小时(如2个元素),i和j可能初始就交叉,do-while里的条件必须严格匹配,否则第一次循环就崩。

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