【数据结构】排序算法---桶排序

news2024/9/20 13:40:26

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文章目录

  • 1. 定义
  • 2. 算法步骤
  • 3. 演示
    • 3.1 动态演示1
    • 3.2 动态演示2
    • 3.3 图片演示1
    • 3.4 图片演示2
  • 4. 性质
  • 5. 算法分析
  • 6. 代码实现
    • C语言
    • Python
    • Java
    • C++
    • Go
  • 结语

1. 定义

桶排序（英文：Bucket sort）是计数排序的升级版，适用于待排序数据值域较大但分布比较均匀的情况。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。桶排序 (Bucket sort)的工作的原理：假设输入数据服从均匀分布，将数据分到有限数量的桶里，每个桶再分别排序（有可能再使用别的排序算法或是以递归方式继续使用桶排序进行排）。

为了使桶排序更加高效，我们需要做到这两点：

  1. 在额外空间充足的情况下，尽量增大桶的数量
  2. 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。

2. 算法步骤

桶排序按下列步骤进行：

  1. 设置一个定量的数组当作空桶；

  2. 遍历输入数据，并且把数据一个一个放到对应的桶里去；

  3. 对每个不是空的桶进行排序；

  4. 从不是空的桶里把排好序的数据拼接起来。

3. 演示

3.1 动态演示1

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3.2 动态演示2

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3.3 图片演示1

元素分布在桶中：

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然后，元素在每个桶中排序：

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3.4 图片演示2

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4. 性质

稳定性：

如果使用稳定的内层排序，并且将元素插入桶中时不改变元素间的相对顺序，那么桶排序就是一种稳定的排序算法。

由于每块元素不多，一般使用插入排序。此时桶排序是一种稳定的排序算法。

空间复杂度：

桶排序算法排序过程中新建了一个桶和一个输出数组，所以算法的空间复杂度是 O ( N + M ) O(N+M) O(N+M)。

时间复杂度：

桶排序的平均时间复杂度为 O ( n + n 2 k + k ) O(n+{n^2 \over k}+k) O(n+kn2​+k)（将值域平均分成n块 + 排序 + 重新合并元素)，当k≈n时为 O ( n ) O(n) O(n)。

桶排序的最坏时间复杂度为 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)。

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。

什么时候最慢：

当输入的数据被分配到了同一个桶中。

5. 算法分析

桶排序最好情况下使用线性时间 O ( n ) O(n) O(n)，桶排序的时间复杂度，取决与对各个桶之间数据进行排序的时间复杂度，因为其它部分的时间复杂度都为 O ( n ) O(n) O(n)。很显然，桶划分的越小，各个桶之间的数据越少，排序所用的时间也会越少。但相应的空间消耗就会增大。

6. 代码实现

C语言

void RadixSort(int* arr, int n)
{
	//max为数组中最大最小值
	int max = arr[0];
	int min = arr[0];
	int base = 1;

	//找出数组中的最大值
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		if (arr[i] > max)
		{
			max = arr[i];
		}
		if (arr[i] < min)
		{
			min = arr[i];
		}
	}
	//循环结束max就是数组最大最小值

	//循环将数组的元素全部变为正数
	//所有元素加上最小值的绝对值
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		arr[i] += abs(min);
	}

	//临时存放数组元素的空间
	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);

	//循环次数为最大数的位数
	while (max / base > 0)
	{
		//定义十个桶，桶里面装的不是数据本身，而是每一轮排序对应（十、白、千...）位的个数
		//统计每个桶里面装几个数
		int bucket[10] = { 0 };
		for (int i = 0; i < n; i++)
		{
			//arr[i] / base % 10可以取到个位、十位、百位对应的数字
			bucket[arr[i] / base % 10]++;
		}
		//循环结束就已经统计好了本轮每个桶里面应该装几个数


		//将桶里面的元素依次累加起来，就可以知道元素存放在临时数组中的位置
		for (int i = 1; i < 10; i++)
		{
			bucket[i] += bucket[i - 1];
		}
		//循环结束现在桶中就存放的是每个元素应该存放到临时数组的位置


		//开始放数到临时数组tmp
		for (int i = n - 1; i >= 0; i--)
		{
			tmp[bucket[arr[i] / base % 10] - 1] = arr[i];
			bucket[arr[i] / base % 10]--;
		}
		//不能从前往后放，因为这样会导致十位排好了个位又乱了，百位排好了十位又乱了
		/*for (int i = 0; i < n; i++)
		{
			tmp[bucket[arr[i] / base % 10] - 1] = arr[i];
			bucket[arr[i] / base % 10]--;
		}*/

		//把临时数组里面的数拷贝回去
		for (int i = 0; i < n; i++)
		{
			arr[i] = tmp[i];
		}
		base *= 10;
	}
	free(tmp);

	//还原原数组
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		arr[i] -= abs(min);
	}
}

Python

N = 100010
w = n = 0
a = [0] * N
bucket = [[] for i in range(N)]


def insertion_sort(A):
    for i in range(1, len(A)):
        key = A[i]
        j = i - 1
        while j >= 0 and A[j] > key:
            A[j + 1] = A[j]
            j -= 1
        A[j + 1] = key


def bucket_sort():
    bucket_size = int(w / n + 1)
    for i in range(0, n):
        bucket[i].clear()
    for i in range(1, n + 1):
        bucket[int(a[i] / bucket_size)].append(a[i])
    p = 0
    for i in range(0, n):
        insertion_sort(bucket[i])
        for j in range(0, len(bucket[i])):
            a[p] = bucket[i][j]
            p += 1

Java

public class BucketSort extends BaseSort {

    public static void main(String[] args) {
        BucketSort sort = new BucketSort();
        sort.printNums();
    }

    @Override
    protected void sort(int[] nums) {
        if (nums == null || nums.length < 2) {
            return;
        }
        bucketSort(nums);
    }

    public void bucketSort(int[] nums) {
        if (nums == null || nums.length < 2) {
            return;
        }
        //找出最大值，最小值
        int max = Integer.MIN_VALUE;
        int min = Integer.MAX_VALUE;
        for (int num : nums) {
            min = Math.min(min, num);
            max = Math.max(max, num);
        }
        int length = nums.length;
        //桶的数量
        int bucketCount = (max - min) / length + 1;
        int[][] bucketArrays = new int[bucketCount][];
        //遍历数组，放入桶内
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            //找到桶的下标
            int index = (nums[i] - min) / length;
            //添加到指定下标的桶里，并且使用插入排序排序
            bucketArrays[index] = insertSortArrays(bucketArrays[index], nums[i]);
        }
        int k = 0;
        //合并全部桶的
        for (int[] bucketArray : bucketArrays) {
            if (bucketArray == null || bucketArray.length == 0) {
                continue;
            }
            for (int i : bucketArray) {
                //把值放回到nums数组中
                nums[k++] = i;
            }
        }
    }

    //每个桶使用插入排序进行排序
    private int[] insertSortArrays(int[] arr, int num) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return new int[]{num};
        }
        //创建一个temp数组，长度是arr数组的长度+1
        int[] temp = new int[arr.length + 1];
        //把传进来的arr数组，复制到temp数组
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            temp[i] = arr[i];
        }
        //找到一个位置，插入，形成新的有序的数组
        int i;
        for (i = temp.length - 2; i >= 0 && temp[i] > num; i--) {
            temp[i + 1] = temp[i];
        }
        //插入需要添加的值
        temp[i + 1] = num;
        //返回
        return temp;
    }
}

C++

#include<iterator>
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
const int BUCKET_NUM = 10;

struct ListNode{
        explicit ListNode(int i=0):mData(i),mNext(NULL){}
        ListNode* mNext;
        int mData;
};

ListNode* insert(ListNode* head,int val){
        ListNode dummyNode;
        ListNode *newNode = new ListNode(val);
        ListNode *pre,*curr;
        dummyNode.mNext = head;
        pre = &dummyNode;
        curr = head;
        while(NULL!=curr && curr->mData<=val){
                pre = curr;
                curr = curr->mNext;
        }
        newNode->mNext = curr;
        pre->mNext = newNode;
        return dummyNode.mNext;
}


ListNode* Merge(ListNode *head1,ListNode *head2){
        ListNode dummyNode;
        ListNode *dummy = &dummyNode;
        while(NULL!=head1 && NULL!=head2){
                if(head1->mData <= head2->mData){
                        dummy->mNext = head1;
                        head1 = head1->mNext;
                }else{
                        dummy->mNext = head2;
                        head2 = head2->mNext;
                }
                dummy = dummy->mNext;
        }
        if(NULL!=head1) dummy->mNext = head1;
        if(NULL!=head2) dummy->mNext = head2;
        
        return dummyNode.mNext;
}

void BucketSort(int n,int arr[]){
        vector<ListNode*> buckets(BUCKET_NUM,(ListNode*)(0));
        for(int i=0;i<n;++i){
                int index = arr[i]/BUCKET_NUM;
                ListNode *head = buckets.at(index);
                buckets.at(index) = insert(head,arr[i]);
        }
        ListNode *head = buckets.at(0);
        for(int i=1;i<BUCKET_NUM;++i){
                head = Merge(head,buckets.at(i));
        }
        for(int i=0;i<n;++i){
                arr[i] = head->mData;
                head = head->mNext;
        }
}

Go

package main
 
import (
	"fmt"
	"container/list"
)
 
func bucketSort(theArray []int,num int){
	var theSort [99]int
	for i:=0;i< len(theArray);i++{
		theSort[10]=1
		if theSort[theArray[i]] !=0{
			theSort[theArray[i]] = theSort[theArray[i]]+1
		}else{
			theSort[theArray[i]] = 1
		}
	}
	l:=list.New()
	for j:=0;j<len(theSort);j++{
		if theSort[j]==0{
			//panic("error test.....")
		}else{
			for k:=0;k<theSort[j];k++{
				l.PushBack(j)
			}
		}
	}
	for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {
		fmt.Print(e.Value, " ")
	}
 
}
 
func main() {
	var theArray = []int{10, 1, 18, 30, 23, 12, 7, 5, 18, 17}
	fmt.Print("排序前")
	fmt.Println(theArray)
	fmt.Print("排序后")
	bucketSort(theArray,11)
}

结语

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下。

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带你初步了解排序算法：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142211265
直接插入排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142300973
希尔排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142302553
直接选择排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142312028
堆排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142312338
冒泡排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142324131
快速排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142324307
归并排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142350640
计数排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142350741
桶排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142375338
基数排序：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142375592
十大经典排序算法总结与分析：https://blog.csdn.net/2301_80191662/article/details/142211564

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