怎麼用java程式碼經典排序演算法
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- 2023-04-29 20:49:051464瀏覽
排序演算法是《資料結構與演算法》中最基本的演算法之一。
排序演算法可以分為內部排序和外部排序，內部排序是資料記錄在記憶體中進行排序，而外部排序是因排序的資料很大，一次不能容納全部的排序記錄，在排序過程中需要存取外存。常見的內部排序演算法有：插入排序、希爾排序、選擇排序、冒泡排序、歸併排序、快速排序、堆排序、基數排序等。用一張圖概括：
關於時間複雜度：
平方階(O(n2 )) 排序各類簡單排序：直接插入、直接選擇和冒泡排序。
線性對數階 (O(nlog2n)) 排序 快速排序、堆排序與歸併排序。
O(n1 §)) 排序，§ 是介於 0 和 1 之間的常數。希爾排序。
線性階 (O(n)) 排序 基數排序，此外還有桶子、箱排序。
關於穩定性：
穩定的排序演算法：冒泡排序、插入排序、歸併排序和基數排序。
不是穩定的排序演算法：選擇排序、快速排序、希爾排序、堆排序。
名詞解釋：
n：資料規模
k：「桶」的數量
In-place：佔用常數內存，不佔用額外內存
Out-place：佔用額外內存
穩定性：排序後2 個相等鍵值的順序和排序之前它們的順序相同
一、冒泡排序
冒泡排序(Bubble Sort)也是一種簡單直覺的排序演算法。它重複地走訪過要排序的數列，一次比較兩個元素，如果他們的順序錯誤就把他們交換過來。走訪數列的工作是重複地進行直到沒有再需要交換，也就是說該數列已經排序完成。這個演算法的名字由來是因為越小的元素會經由交換慢慢「浮」到數列的頂端。
作為最簡單的排序演算法之一，冒泡排序給我的感覺就像Abandon 在單字書中出現的感覺一樣，每次都在***頁***位，所以最熟悉。冒泡排序還有一個最佳化演算法，就是立一個 flag，當在一趟序列遍歷中元素沒有發生交換，則證明該序列已經有序。但這種改進對於提升性能來說並沒有什麼太大作用。
1. 演算法步驟
比較相鄰的元素。如果***個比第二個大，就交換他們兩個。
對每一對相鄰元素作同樣的工作，從開始***對到結尾的***一對。這步做完後，***的元素會是***的數。
針對所有的元素重複以上的步驟，除了***一個。
持續每次對越來越少的元素重複上面的步驟，直到沒有任何一對數字需要比較。
2. 動圖示範
3. 什麼時候最快
當輸入的資料已經是正序時(都已經是正序了，我還要你冒泡排序有何用啊)。
4. 什麼時候最慢
當輸入的資料是反序時(寫一個for 迴圈反序輸出資料不就行了，幹嘛要用你冒泡排序呢，我是閒的嗎)。
5. Java 程式碼實作
public class BubbleSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); for (int i = 1; i arr[j + 1]) { int tmp = arr[j]; arr[j] = arr[j + 1]; arr[j + 1] = tmp; flag = false; } } if (flag) { break; } } return arr; } }
二、選擇排序
選擇排序是一種簡單直覺的排序演算法，無論什麼資料進去都是O(n²) 的時間複雜度。所以用到它的時候，資料規模越小越好。唯一的好處可能就是不佔用額外的記憶體空間了吧。
1. 演算法步驟
首先在未排序序列中找出最小(大)元素，存放到排序序列的起始位置
再從剩餘未排序元素中繼續尋找最小(大)元素，然後放到已排序序列的末端。
重複第二步，直到所有元素都排序完畢。
2. 動圖示範
#3. Java 程式碼實作
public class SelectionSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); // 总共要经过 N-1 轮比较 for (int i = 0; i <p><strong>三、插入排序</strong></p><p>插入排序的程式碼實作雖然沒有冒泡排序和選擇排序那麼簡單粗暴，但它的原理應該是最容易理解的了，因為只要打過撲克牌的人都應該要能秒懂。插入排序是一種最簡單直觀的排序演算法，它的工作原理是透過建立有序序列，對於未排序數據，在已排序序列中從後向前掃描，找到相應位置並插入。 </p><p>插入排序和冒泡排序一樣，也有一種最佳化演算法，叫做拆半插入。 </p><p><strong>1. 算法步骤</strong></p>
将***待排序序列***个元素看做一个有序序列，把第二个元素到***一个元素当成是未排序序列。
从头到尾依次扫描未排序序列，将扫描到的每个元素插入有序序列的适当位置。(如果待插入的元素与有序序列中的某个元素相等，则将待插入元素插入到相等元素的后面。)
2. 动图演示
3. Java 代码实现
public class InsertSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); // 从下标为1的元素开始选择合适的位置插入，因为下标为0的只有一个元素，默认是有序的 for (int i = 1; i 0 && tmp <p><strong>四、希尔排序</strong></p><p>希尔排序，也称递减增量排序算法，是插入排序的一种更高效的改进版本。但希尔排序是非稳定排序算法。</p><p>希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的：</p>
插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时，效率高，即可以达到线性排序的效率
但插入排序一般来说是低效的，因为插入排序每次只能将数据移动一位
希尔排序的基本思想是：先将整个待排序的记录序列分割成为若干子序列分别进行直接插入排序，待整个序列中的记录“基本有序”时，再对全体记录进行依次直接插入排序。
1. 算法步骤
选择一个增量序列 t1，t2，……，tk，其中 ti > tj, tk = 1;
按增量序列个数 k，对序列进行 k 趟排序;
每趟排序，根据对应的增量 ti，将待排序列分割成若干长度为 m 的子序列，分别对各子表进行直接插入排序。仅增量因子为 1 时，整个序列作为一个表来处理，表长度即为整个序列的长度。
2. Java 代码实现
public class ShellSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); int gap = 1; while (gap 0) { for (int i = gap; i = 0 && arr[j] > tmp) { arr[j + gap] = arr[j]; j -= gap; } arr[j + gap] = tmp; } gap = (int) Math.floor(gap / 3); } return arr; } }
五、归并排序
归并排序(Merge sort)是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。
作为一种典型的分而治之思想的算法应用，归并排序的实现由两种方法：
自上而下的递归(所有递归的方法都可以用迭代重写，所以就有了第 2 种方法)
自下而上的迭代
在《数据结构与算法 JavaScript 描述》中，作者给出了自下而上的迭代方法。但是对于递归法，作者却认为：
However, it is not possible to do so in JavaScript, as the recursion goes too deep for the language to handle.
然而，在 JavaScript 中这种方式不太可行，因为这个算法的递归深度对它来讲太深了。
说实话，我不太理解这句话。意思是 JavaScript 编译器内存太小，递归太深容易造成内存溢出吗?还望有大神能够指教。
和选择排序一样，归并排序的性能不受输入数据的影响，但表现比选择排序好的多，因为始终都是 O(nlogn) 的时间复杂度。代价是需要额外的内存空间。
1. 算法步骤
申请空间，使其大小为两个已经排序序列之和，该空间用来存放合并后的序列;
设定两个指针，最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置;
比较两个指针所指向的元素，选择相对小的元素放入到合并空间，并移动指针到下一位置;
重复步骤 3 直到某一指针达到序列尾;
将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾。
2. 动图演示
3. Java 代码实现
public class MergeSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); if (arr.length 0 && right.length > 0) { if (left[0] 0) { result[i++] = left[0]; left = Arrays.copyOfRange(left, 1, left.length); } while (right.length > 0) { result[i++] = right[0]; right = Arrays.copyOfRange(right, 1, right.length); } return result; } }
六、快速排序
快速排序是由东尼·霍尔所发展的一种排序算法。在平均状况下，排序 n 个项目要 Ο(nlogn) 次比较。在最坏状况下则需要 Ο(n2) 次比较，但这种状况并不常见。事实上，快速排序通常明显比其他 Ο(nlogn) 算法更快，因为它的内部循环(inner loop)可以在大部分的架构上很有效率地被实现出来。
快速排序使用分治法(Divide and conquer)策略来把一个串行(list)分为两个子串行(sub-lists)。
快速排序又是一种分而治之思想在排序算法上的典型应用。本质上来看，快速排序应该算是在冒泡排序基础上的递归分治法。
快速排序的名字起的是简单粗暴，因为一听到这个名字你就知道它存在的意义，就是快，而且效率高!它是处理大数据最快的排序算法之一了。虽然 Worst Case 的时间复杂度达到了 O(n²)，但是人家就是优秀，在大多数情况下都比平均时间复杂度为 O(n logn) 的排序算法表现要更好，可是这是为什么呢，我也不知道。
快速排序的最坏运行情况是 O(n²)，比如说顺序数列的快排。但它的平摊期望时间是 O(nlogn)，且 O(nlogn) 记号中隐含的常数因子很小，比复杂度稳定等于 O(nlogn) 的归并排序要小很多。所以，对绝大多数顺序性较弱的随机数列而言，快速排序总是优于归并排序。
1. 算法步骤
从数列中挑出一个元素，称为 “基准”(pivot);
重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面(相同的数可以到任一边)。在这个分区退出之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区(partition)操作;
递归地(recursive)把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序;
递归的***部情形，是数列的大小是零或一，也就是永远都已经被排序好了。虽然一直递归下去，但是这个算法总会退出，因为在每次的迭代(iteration)中，它至少会把一个元素摆到它***的位置去。
2. 动图演示
3. Java 代码实现
public class QuickSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); return quickSort(arr, 0, arr.length - 1); } private int[] quickSort(int[] arr, int left, int right) { if (left <p><strong>七、堆排序</strong></p><p>堆排序(Heapsort)是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构，并同时满足堆积的性质：即子结点的键值或索引总是小于(或者大于)它的父节点。堆排序可以说是一种利用堆的概念来排序的选择排序。分为两种方法：</p><ol class=" list-paddingleft-2">
<li><p>鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区</p></li>
<li><p>大顶堆：每个节点的值都大于或等于其子节点的值，在堆排序算法中用于升序排列;</p></li>
<li><p>小顶堆：每个节点的值都小于或等于其子节点的值，在堆排序算法中用于降序排列;</p></li>
</ol><p>堆排序的平均时间复杂度为 Ο(nlogn)。</p><p><strong>1. 算法步骤</strong></p><ol class=" list-paddingleft-2">
<li><p>鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区</p></li>
<li><p>创建一个堆 H[0……n-1];</p></li>
<li><p>把堆首(***值)和堆尾互换;</p></li>
<li><p>把堆的尺寸缩小 1，并调用 shift_down(0)，目的是把新的数组顶端数据调整到相应位置;</p></li>
<li><p>重复步骤 2，直到堆的尺寸为 1。</p></li>
</ol><p><strong>2. 动图演示</strong></p><center><img src="https://img.php.cn/upload/article/000/887/227/168277254995371.gif" alt="怎麼用java程式碼經典排序演算法"></center><p><strong>3. Java 代码实现</strong></p><pre class="brush:php;toolbar:false">public class HeapSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); int len = arr.length; buildMaxHeap(arr, len); for (int i = len - 1; i > 0; i--) { swap(arr, 0, i); len--; heapify(arr, 0, len); } return arr; } private void buildMaxHeap(int[] arr, int len) { for (int i = (int) Math.floor(len / 2); i >= 0; i--) { heapify(arr, i, len); } } private void heapify(int[] arr, int i, int len) { int left = 2 * i + 1; int right = 2 * i + 2; int largest = i; if (left arr[largest]) { largest = left; } if (right arr[largest]) { largest = right; } if (largest != i) { swap(arr, i, largest); heapify(arr, largest, len); } } private void swap(int[] arr, int i, int j) { int temp = arr[i]; arr[i] = arr[j]; arr[j] = temp; } }八、计数排序
计数排序的核心在于将输入的数据值转化为键存储在额外开辟的数组空间中。作为一种线性时间复杂度的排序，计数排序要求输入的数据必须是有确定范围的整数。
1. 动图演示
2. Java 代码实现
public class CountingSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); int maxValue = getMaxValue(arr); return countingSort(arr, maxValue); } private int[] countingSort(int[] arr, int maxValue) { int bucketLen = maxValue + 1; int[] bucket = new int[bucketLen]; for (int value : arr) { bucket[value]++; } int sortedIndex = 0; for (int j = 0; j 0) { arr[sortedIndex++] = j; bucket[j]--; } } return arr; } private int getMaxValue(int[] arr) { int maxValue = arr[0]; for (int value : arr) { if (maxValue <p><strong>九、桶排序</strong></p><p>桶排序是计数排序的升级版。它利用了函数的映射关系，高效与否的关键就在于这个映射函数的确定。为了使桶排序更加高效，我们需要做到这两点：</p>
在额外空间充足的情况下，尽量增大桶的数量
使用的映射函数能够将输入的 N 个数据均匀的分配到 K 个桶中
同时，对于桶中元素的排序，选择何种比较排序算法对于性能的影响至关重要。
1. 什么时候最快
当输入的数据可以均匀的分配到每一个桶中。
2. 什么时候最慢
当输入的数据被分配到了同一个桶中。
3. Java 代码实现
public class BucketSort implements IArraySort { private static final InsertSort insertSort = new InsertSort(); @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); return bucketSort(arr, 5); } private int[] bucketSort(int[] arr, int bucketSize) throws Exception { if (arr.length == 0) { return arr; } int minValue = arr[0]; int maxValue = arr[0]; for (int value : arr) { if (value maxValue) { maxValue = value; } } int bucketCount = (int) Math.floor((maxValue - minValue) / bucketSize) + 1; int[][] buckets = new int[bucketCount][0]; // 利用映射函数将数据分配到各个桶中 for (int i = 0; i <p><strong>十、基数排序</strong></p><p>基数排序是一种非比较型整数排序算法，其原理是将整数按位数切割成不同的数字，然后按每个位数分别比较。由于整数也可以表达字符串(比如名字或日期)和特定格式的浮点数，所以基数排序也不是只能使用于整数。</p><p><strong>1. 基数排序 vs 计数排序 vs 桶排序</strong></p><p>基数排序有两种方法：</p><p>这三种排序算法都利用了桶的概念，但对桶的使用方法上有明显差异：</p>
基数排序：根据键值的每位数字来分配桶;
计数排序：每个桶只存储单一键值;
桶排序：每个桶存储一定范围的数值;
2. LSD 基数排序动图演示
3. Java 代码实现
/** * 基数排序 */ public class RadixSort implements IArraySort { @Override public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception { // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容 int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length); int maxDigit = getMaxDigit(arr); return radixSort(arr, maxDigit); } /** * 获取***位数 */ private int getMaxDigit(int[] arr) { int maxValue = getMaxValue(arr); return getNumLenght(maxValue); } private int getMaxValue(int[] arr) { int maxValue = arr[0]; for (int value : arr) { if (maxValue 以上是怎麼用java程式碼經典排序演算法的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！