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1.快速排序
原理:
代码如下(递归实现):
性能比较
快速排序的特性总结
2.快速排序的优化
1)三数取中优化:
2)小区间优化:
3. 挖坑法(快排的另一种思路):
4. 快慢指针法(快排的第三种思路):
5.快速排序(非递归版代码)
6.源代码(VS2022下编写)
1.快速排序
基本思想:
任取待排序元素序列中的某元素作为基准值,按照该排序码将待排序集合分割成两子序列,左子序列中所有元素均小于基准值,右子序列中所有元素均大于基准值,然后最左右子序列重复该过程,直到所有元素都排列在相应位置上为止
原理:
如上述图所示,此时就完成了一次单趟排序
单趟排序的作用:
- 使得key到了准确的位置
- 使得key左边的数都小于key,key右边的数都大于key
剩下的问题:让左区间有序、有区间有序,整体就ok了
然后再对其递归排序数组key的左边和右边,最终就可排好序
注意的点:
- 左边和右边都可以做key,但是
- 左边做key,右边要先走
- 右边做key,左边要先走
- 这是为了保证相遇的位置,一定比key要小(左边做key的情况下)
代码如下(递归实现):
这个代码写起来会有很多坑,如下,单趟排序:
正确代码:
void QuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
int left = begin, right = end;
int keyi = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[keyi]);
keyi = left;
// [begin, keyi-1] keyi [keyi+1, end]
QuickSort(a, begin, keyi - 1);
QuickSort(a, keyi+1, end);
}
性能比较
和上之前的简单排序算法的效率比较如下:
1万随机数据量下测得
10万随机数据量下测得
去掉选择排序和冒泡排序, 100万随机数据量下测得
去掉直接插入排序 , 1000万随机数据量下测得
可以看出在数据量达到1000万级别时,快速排序似乎不占优势
因为key的取值,我们可以给快排进行优化,如第二部分。
快速排序的特性总结
- 快速排序整体的综合性能和使用场景都是比较好的,所以才敢叫快速排序
- 时间复杂度:O(N*logN)
- 空间复杂度:O(logN)
- 稳定性:不稳定
在快速排序的时间复杂度计算中,最坏情况为:
没次key都是最大或者最小的,
实际情况:有序
此时,时间复杂度为O(N^2)
快排的中心思想就是:
- 不管你怎么选key,在第一趟排序之后,key的位置是正确的,
- 并且,key左边的数小于key,key右边的数大于key
因为key的选择可以不同,所以快排就有了一下的改进:
2.快速排序的优化
1)三数取中优化:
(主要对时间进行优化)
原理:
选择最左边,最中间,最右边的三个数作比较,选出最小的数作为key
代码如下:
//快排改进:key选值的三数取中
int GetMidIndex(int* a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] < a[mid])
{
if (a[mid] < a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] > a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
else // a[begin] > a[mid]
{
if (a[mid] > a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] < a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
}
void MidQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int key = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[key])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[key])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[key]);
key = left;
// [begin, keyi-1] key [keyi+1, end]
QuickSort(a, begin, key - 1);
QuickSort(a, key + 1, end);
}
加入三数取中之后,快排的时间复杂度就可以认为是:O(N*logN);
性能比较:
之前1000万随机数据量下测得的数据:
加入三数取中后,1000万随机数据量下测得的数据:
可以看到,此时快排的效率有了明显的提高
2)小区间优化:
(主要对空间进行优化)
c++官方库,QST库都的快排都在用小区间优化
原理:
到最后10个数的时候,用递归的话,可以看到还需要4层深度的递归
对最后一小段区域的排序,我们用直接插入排序就行
代码如下:
//小区间优化(优化空间)
void SpaceQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int keyi = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[keyi]);
keyi = left;
// [begin, keyi-1] keyi [keyi+1, end]
QuickSort(a, begin, keyi - 1);
QuickSort(a, keyi + 1, end);
}
}
因为空间对效率的提示并不大,这里就不进行测试了,感兴趣的可以自己测一测
3. 挖坑法(快排的另一种思路):
原理:
代码如下(递归实现):
// 快速排序,挖坑法
void HoleQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
//小区间优化
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
//三数选中间优化
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int key = a[left];
int hole = left;
while (left < right)
{
// 右边找小,填到左边坑里面
while (left < right && a[right] >= key)
{
--right;
}
a[hole] = a[right];
hole = right;
// 左边找大,填到右边坑里面
while (left < right && a[left] <= key)
{
++left;
}
a[hole] = a[left];
hole = left;
}
a[hole] = key;
// [begin, key-1] key [key+1, end]
QuickSort(a, begin, key - 1);
QuickSort(a, key + 1, end);
}
}
4. 快慢指针法(快排的第三种思路):
原理:
代码如下(递归实现):
//快慢指针法
void PointQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin > end)
{
return;
}
//小区间优化
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
//三数选中间优化
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int prev = begin, cur = begin + 1;
int key = prev;
while (cur <= end)
{
while (cur <= end)
{
if (a[cur] >= a[key] && ++prev != cur)//++prev和cur的下标如果相等,就不要进行交换
{
Swap(&a[++prev], &a[cur]); //一定是先++prev,在用prev
}
cur++;
}
}
Swap(&a[prev], &a[key]);
PointQuickSort(a, begin, key);
PointQuickSort(a, key + 1, end);
}
}
5.快速排序(非递归版代码)
非递归实现的方式有两种,一种是用栈实现,一种是用队列实现
用栈实现又叫做深度优先、用队列实现又叫做广度优先
原理如下:
基于栈的深度优先:
可以看出来,利用栈进行快排,是先左边的区间,后右边的区间,是往深的走,所以叫做深度优先
基于队列的广度优先:
基于队列的快排,是一层层的走的,和之前二叉树的层次遍历原理是相同的,因为是一层一层的走,所以叫做广度优先
代码如下(这里采用基于栈的深度优先):
//快速排序(非递归)
//利用堆实现的叫做深度优先
void QuickSortNonR(int* a, int begin, int end)
{
ST st;
StackInit(&st);
StackPush(&st, begin);
StackPush(&st, end);
while (!StackEmpty(&st))
{
int right = StackTop(&st);
StackPop(&st);
int left = StackTop(&st);
StackPop(&st);
//进行一次快排
int prev = left, cur = left + 1;
int key = left;
while (cur <= right)
{
//++prev和cur的下标如果相等,就可以不用进行交换
if (a[cur] < a[key] && ++prev != cur)
{
Swap(&a[prev], &a[cur]);
}
cur++;
}
Swap(&a[prev], &a[key]);
key = prev;
// [left, key-1] keyi [key+1, right]
if (key + 1 < right)
{
StackPush(&st, key + 1);
StackPush(&st, right);
}
if (left < key - 1)
{
StackPush(&st, left);
StackPush(&st, key - 1);
}
}
StackDestroy(&st);
}
6.源代码(VS2022下编写)
#include "Stack.h" //引入了之前写的栈结构
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
//声明:
//快速排序
void QuickSort(int* a, int begin, int end);
//三数取中
void MidQuickSort(int* a, int begin, int end);
//小空间优化
void SpaceQuickSort(int* a, int begin, int end);
//挖坑法
void HoleQuickSort(int* a, int begin, int end);
//快慢指针法
void PointQuickSort(int* a, int begin, int end);
//非递归法
void QuickSortNonR(int* a, int begin, int end);
//实现
//快速排序
void QuickSort(int* a, int begin, int end)
{
//end -= 1;
if (begin >= end)
{
return;
}
int left = begin, right = end;
int key = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[key])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[key])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[key]);
key = left;
// [begin, keyi-1] key [keyi+1, end]
QuickSort(a, begin, key - 1);
QuickSort(a, key + 1, end);
}
//快排改进:key选值的三数取中(优化时间)
int GetMidIndex(int* a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] < a[mid])
{
if (a[mid] < a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] > a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
else // a[begin] > a[mid]
{
if (a[mid] > a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] < a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
}
void MidQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int key = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[key])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[key])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[key]);
key = left;
// [begin, key-1] key [key+1, end]
QuickSort(a, begin, key - 1);
QuickSort(a, key + 1, end);
}
//小区间优化(优化空间)
void SpaceQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int keyi = left;
while (left < right)
{
// 右边先走,找小
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
--right;
}
// 左边再走,找大
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
++left;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[left], &a[keyi]);
keyi = left;
// [begin, keyi-1] keyi [keyi+1, end]
QuickSort(a, begin, keyi - 1);
QuickSort(a, keyi + 1, end);
}
}
// 快速排序,挖坑法
void HoleQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
//小区间优化
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
//三数选中间优化
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin, right = end;
int key = a[left];
int hole = left;
while (left < right)
{
// 右边找小,填到左边坑里面
while (left < right && a[right] >= key)
{
--right;
}
a[hole] = a[right];
hole = right;
// 左边找大,填到右边坑里面
while (left < right && a[left] <= key)
{
++left;
}
a[hole] = a[left];
hole = left;
}
a[hole] = key;
// [begin, key-1] key [key+1, end]
QuickSort(a, begin, key - 1);
QuickSort(a, key + 1, end);
}
}
//快慢指针法
void PointQuickSort(int* a, int begin, int end)
{
if (begin > end)
{
return;
}
//小区间优化
if ((end - begin + 1) < 10)
{
// 小区间用直接插入替代,减少递归调用次数
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
//三数选中间优化
int mid = GetMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int prev = begin, cur = begin + 1;
int key = prev;
while (cur <= end)
{
if (a[cur] < a[key] && ++prev != cur)//++prev和cur的下标如果相等,就不要进行交换
{
Swap(&a[prev], &a[cur]); //一定是先++prev,在用prev
}
cur++;
}
Swap(&a[prev], &a[key]);
PointQuickSort(a, begin, key);
PointQuickSort(a, key + 1, end);
}
}
//快速排序(非递归)
//利用堆实现的叫做深度优先
void QuickSortNonR(int* a, int begin, int end)
{
ST st;
StackInit(&st);
StackPush(&st, begin);
StackPush(&st, end);
while (!StackEmpty(&st))
{
int right = StackTop(&st);
StackPop(&st);
int left = StackTop(&st);
StackPop(&st);
//进行一次快排
int prev = left, cur = left + 1;
int key = left;
while (cur <= right)
{
if (a[cur] < a[key] && ++prev != cur)//++prev和cur的下标如果相等,就不要进行交换
{
Swap(&a[prev], &a[cur]);
}
cur++;
}
Swap(&a[prev], &a[key]);
key = prev;
// [left, key-1] keyi [key+1, right]
if (key + 1 < right)
{
StackPush(&st, key + 1);
StackPush(&st, right);
}
if (left < key - 1)
{
StackPush(&st, left);
StackPush(&st, key - 1);
}
}
StackDestroy(&st);
}
//主函数测试
void printArray(int* a, int n)
{
for (int i = 0;i < n;i++)
{
printf("%d ", a[i]);
}
printf("\n");
}
void TestInsertSort()
{
int a[] = { 6,1,2,7,9,3,4,5,10,8 };
//InsertSort(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//shellSort(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//HeapSort(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//BubbleSort(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
//快排传的是:数组地址、开始下标、数组结尾下标
HoleQuickSort(a, 0, sizeof(a) / sizeof(int) - 1);
printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
QuickSortNonR(a, 0, sizeof(a) / sizeof(int)-1);
printArray(a, sizeof(a) / sizeof(int));
}
void functionText()
{
srand(time(0));
const int N = 1000000;
int* a1 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a2 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a3 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a4 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a5 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a6 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
int* a7 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
a1[i] = rand() + i;
a2[i] = a1[i];
a3[i] = a1[i];
a4[i] = a1[i];
a5[i] = a1[i];
a6[i] = a1[i];
a7[i] = a7[i];
}
//int begin1 = clock();
//InsertSort(a1, N);
//int end1 = clock();
int begin2 = clock();
ShellSort(a2, N);
int end2 = clock();
//int begin3 = clock();
//SelectSort(a3, N);
//int end3 = clock();
int begin4 = clock();
HeapSort(a4, N);
int end4 = clock();
/*int begin7 = clock();
BubbleSort(a7, N);
int end7 = clock();*/
int begin5 = clock();
MidQuickSort(a5, 0, N - 1);
int end5 = clock();
//
//int begin6 = clock();
//MergeSort(a6, N);
//int end6 = clock();
printf("数据量为%d,以下时间单位为毫秒(ms)\n",N);
//printf("InsertSort: %d\n", end1 - begin1);
printf("ShellSort: %d\n", end2 - begin2);
//printf("SelectSort: %d\n", end3 - begin3);
printf("HeapSort: %d\n", end4 - begin4);
//printf("BubbleSort: %d\n", end7 - begin7);
printf("QuickSort: %d\n",end5 - begin5);
//printf("MergeSort:%d\n", end6 - begin6);
free(a1);
free(a2);
free(a3);
free(a4);
free(a5);
free(a6);
free(a7);
}
int main()
{
//TestInsertSort();
//性能测试:
functionText();
return 0;
}