快排性能的关键点分析
决定快排性能的关键点是每次单趟排序后，key对数组的分割，如果每次选key基本⼆分居中，那么快排的递归树就是颗均匀的满⼆叉树，性能最佳。但是实践中虽然不可能每次都是⼆分居中，但是性能也还是可控的。但是如果出现每次选到最小值/最大值，划分为0个和N-1的子问题时，时间复杂度为O(N^2)，数组序列有序时就会出现这样的问题，但是当数组中有大量重复数据时，之前的快速排序方法就会比较慢，因此我们需要更进算法。
三路排序
三路划分算法思想讲解：
当面对有大量跟key相同的值时，三路划分的核心思想有点类似hoare的左右指针和lomuto的前后指针的结合。核心思想是把数组中的数据分为三段 [比key小的值]、[跟key相等的值] 、[比key大的值]，所以叫做三路划分算法。结合下图，理解⼀下实现思想：
key默认取left位置的值。left指向区间最左边，right指向区间最右边，cur指向left+1位置。cur遇到比key小的值后跟left位置交换，换到左边，left++，cur++。cur遇到比key大的值后跟right位置交换，换到右边，right--。cur遇到跟key相等的值后，cur++。- 直到cur>right结束
#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
void swap(int* x, int* y)
{
int tmp = *x;
*x = *y;
*y = tmp;
}
void Print(int* a, int n)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d ",a[i]);
}
printf("\n");
}
void QuickSort(int* a, int left,int right)
{
if (left >= right)
return;
//随机选key
int randi = left + (rand() % (right - left + 1));
swap(&a[left], &a[randi]);
int begin = left;
int end = right;
int key = left;
int cur = left + 1;
while (cur <= right)
{
if (a[cur] < a[key])
{
swap(&a[cur],&a[left]);
cur++;
left++;
}
else if (a[cur] > a[key])
{
swap(&a[cur], &a[right]);
right--;
}
else if (a[cur] == a[key])
{
cur++;
}
}
QuickSort(a,begin,left-1);
QuickSort(a, right + 1, end);
}
int* sortArray(int* nums, int numsSize, int* returnSize)
{
srand((unsigned int)time(NULL));
QuickSort(nums, 0, numsSize - 1);
*returnSize = numsSize;
return nums;
}
int main()
{
int arr[] = {2,5,7,6,1,4,3,9,8};
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
Print(arr,n);
int* tmp=sortArray(arr, n,&n);
Print(tmp, n);
return 0;
}
自省排序（ introsort）
自省排序的思路就是进行自我侦测和反省，快排递归深度太深（sgi stl中使用的是深度为2倍排序元素数量的对数值）那就说明在这种数据序列下，选key出现了问题，性能在快速退化，那么就不要再进行快排分割递归了，改换为堆排序进行排序。
#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
void Print(int* a, int n)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d ",a[i]);
}
printf("\n");
}
void Swap(int* x, int* y)
{
int tmp = *x;
*x = *y;
*y = tmp;
}
//向下调整算法
void AdjustDown(int* a, int n, int parent)
{
int child = parent * 2 + 1;
while (child < n)
{
//选出左右孩⼦中⼤的那⼀个
if (child + 1 < n && a[child + 1] > a[child])
{
++child;
}
if (a[child] > a[parent])
{
Swap(&a[child], &a[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
//堆排序
void HeapSort(int* a, int n)
{
//建堆--向下调整建堆-- O(N)
for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
{
AdjustDown(a, n, i);
}
int end = n - 1;
while (end > 0)
{
Swap(&a[end], &a[0]);
AdjustDown(a, end, 0);
--end;
}
}
//插入排序
void InsertSort(int* a, int n)
{
for (int i = 1; i < n; i++)
{
int end = i - 1;
int tmp = a[i];
//将tmp插⼊到[0, end]区间中，保持有序
while (end >= 0)
{
if (tmp < a[end])
{
a[end + 1] = a[end];
--end;
}
else
{
break;
}
}
a[end + 1] = tmp;
}
}
void IntroSort(int* a, int left, int right, int depth, int defaultDepth)
{
if (left >= right)
return;
//数组⻓度⼩于16的小数组，换为插入排序，简单递归次数
if (right - left + 1 < 16)
{
InsertSort(a + left, right - left + 1);
return;
}
//当深度超过2 * logN时改用堆排序
if (depth > defaultDepth)
{
HeapSort(a + left, right - left + 1);
return;
}
depth++;
int begin = left;
int end = right;
int randi = left + (rand() % (right - left + 1));
Swap(&a[left], &a[randi]);
int prev = left;
int cur = prev + 1;
int keyi = left;
while (cur <= right)
{
if (a[cur] < a[keyi] && ++prev != cur)
{
Swap(&a[prev], &a[cur]);
}
++cur;
}
Swap(&a[prev], &a[keyi]);
keyi = prev;
IntroSort(a, begin, keyi - 1, depth, defaultDepth);
IntroSort(a, keyi + 1, end, depth, defaultDepth);
}
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
int logn = 0;
int depth = 0;
int N = right - left + 1;
for (int i = 1; i < N; i *= 2)
{
logn++;
}
IntroSort(a, left, right, depth, logn * 2);
}
int* sortArray(int* nums, int numsSize, int* returnSize)
{
srand((unsigned int)time(NULL));
QuickSort(nums, 0, numsSize - 1);
*returnSize = numsSize;
return nums;
}
int main()
{
int arr[] = {2,5,7,6,1,4,3,9,8};
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
Print(arr,n);
int* tmp=sortArray(arr, n,&n);
Print(tmp, n);
return 0;
}
