黑马程序员——学习日记4 java相关常用算法

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很多人都觉得学习软件开发，最难的就是算法。在一定程度来说，算法确实比较难，但不是每次都要编写复杂的算法。
掌握一些日常开发使用的算法，就能应付很多问题，下面就介绍一些最基本但也是经常使用的java算法。

1. 选择排序

选择排序的基本思想是遍历数组的过程中，以 i 代表当前需要排序的序号，则需要在剩余的 [i…n-1] 中找出其中的
最小值，然后将找到的最小值与 i 指向的值进行交换。因为每一趟确定元素的过程中都会有一个选择最大值的子流程
，所以人们形象地称之为选择排序。
举个实例来看看：
初始： [38, 17, 16, 16, 7, 31, 39, 32, 2, 11]
i = 0:  [2 , 17, 16, 16, 7, 31, 39, 32, 38 , 11] (0th [38]<->8th [2]）
i = 1:  [2, 7 , 16, 16, 17 , 31, 39, 32, 38, 11] (1st [38]<->4th [17])
i = 2:  [2, 7, 11 , 16, 17, 31, 39, 32, 38, 16 ] (2nd [11]<->9th [16])
i = 3:  [2, 7, 11, 16, 17, 31, 39, 32, 38, 16] ( 无需交换 )
i = 4:  [2, 7, 11, 16, 16 , 31, 39, 32, 38, 17 ] (4th [17]<->9th [16])
i = 5:  [2, 7, 11, 16, 16, 17 , 39, 32, 38, 31 ] (5th [31]<->9th [17])
i = 6:  [2, 7, 11, 16, 16, 17, 31 , 32, 38, 39 ] (6th [39]<->9th [31])
i = 7:  [2, 7, 11, 16, 16, 17, 31, 32, 38, 39] ( 无需交换 )
i = 8:  [2, 7, 11, 16, 16, 17, 31, 32, 38, 39] ( 无需交换 )
i = 9:  [2, 7, 11, 16, 16, 17, 31, 32, 38, 39] ( 无需交换 )
由例子可以看出，选择排序随着排序的进行（ i 逐渐增大），比较的次数会越来越少，但是不论数组初始是否有序，
选择排序都会从 i 至数组末尾进行一次选择比较，所以给定长度的数组，选择排序的比较次数是固定的： 1 + 2 + 3 
+ …. + n = n * (n + 1) / 2 ，而交换的次数则跟初始数组的顺序有关，如果初始数组顺序为随机，则在最坏情况下
，数组元素将会交换 n 次，最好的情况下则可能 0 次（数组本身即为有序）。
由此可以推出，选择排序的时间复杂度和空间复杂度分别为 O(n2 ) 和 O(1) （选择排序只需要一个额外空间用于数组
元素交换）。
实现代码：

/** * Selection Sorting */SELECTION(new Sortable() {public <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array, boolean ascend) {int len = array.length;for (int i = 0; i < len; i++) {int selected = i;for (int j = i + 1; j < len; j++) {int compare = array[j].compareTo(array[selected]);if (compare != 0 && compare < 0 == ascend) {selected = j;}}exchange(array, i, selected);}}})

2. 插入排序
插入排序的基本思想是在遍历数组的过程中，假设在序号 i 之前的元素即 [0..i-1] 都已经排好序，本趟需要找到 i 
对应的元素 x 的正确位置 k ，并且在寻找这个位置 k 的过程中逐个将比较过的元素往后移一位，为元素 x “腾位置
”，最后将 k 对应的元素值赋为 x ，插入排序也是根据排序的特性来命名的。
以下是一个实例，红色 标记的数字为插入的数字，被划掉的数字是未参与此次排序的元素，红色 标记的数字与被划掉
数字之间的元素为逐个向后移动的元素，比如第二趟参与排序的元素为 [11, 31, 12] ，需要插入的元素为 12 ，但是 
12 当前并没有处于正确的位置，于是我们需要依次与前面的元素 31 、 11 做比较，一边比较一边移动比较过的元素
，直到找到第一个比 12 小的元素 11 时停止比较，此时 31 对应的索引 1 则是 12 需要插入的位置。
初始：    [11, 31, 12, 5, 34, 30, 26, 38, 36, 18]
第一趟： [11, 31 , 12, 5, 34, 30, 26, 38, 36, 18] （无移动的元素）
第二趟： [11, 12 , 31, 5, 34, 30, 26, 38, 36, 18] （ 31 向后移动）
第三趟： [5 , 11, 12, 31, 34, 30, 26, 38, 36, 18] （ 11, 12, 31 皆向后移动）
第四趟： [5, 11, 12, 31, 34 , 30, 26, 38, 36, 18] （无移动的元素）
第五趟： [5, 11, 12, 30 , 31, 34, 26, 38, 36, 18] （ 31, 34 向后移动）
第六趟： [5, 11, 12, 26 , 30, 31, 34, 38, 36, 18] （ 30, 31, 34 向后移动）
第七趟： [5, 11, 12, 26, 30, 31, 34, 38 , 36, 18] （无移动的元素）
第八趟： [5, 11, 12, 26, 30, 31, 34, 36 , 38, 18] （ 38 向后移动）
第九趟： [5, 11, 12, 18 , 26, 30, 31, 34, 36, 38] （ 26, 30, 31, 34, 36, 38 向后移动）
插入排序会优于选择排序，理由是它在排序过程中能够利用前部分数组元素已经排好序的一个优势，有效地减少一些比
较的次数，当然这种优势得看数组的初始顺序如何，最坏的情况下（给定的数组恰好为倒序）插入排序需要比较和移动
的次数将会等于 1 + 2 + 3… + n = n * (n + 1) / 2 ，这种极端情况下，插入排序的效率甚至比选择排序更差。因
此插入排序是一个不稳定的排序方法，插入效率与数组初始顺序息息相关。一般情况下，插入排序的时间复杂度和空间
复杂度分别为 O(n2 ) 和 O(1) 。
实现代码：

/** * Insertion Sorting */INSERTION(new Sortable() {public <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array, boolean ascend) {int len = array.length;for (int i = 1; i < len; i++) {T toInsert = array[i];int j = i;for (; j > 0; j--) {int compare = array[j - 1].compareTo(toInsert);if (compare == 0 || compare < 0 == ascend) {break;}array[j] = array[j - 1];}array[j] = toInsert;}}})

3. 冒泡排序
冒泡排序可以算是最经典的排序算法了，记得小弟上学时最先接触的也就是这个算法了，因为实现方法最简单，两层 
for 循环，里层循环中判断相邻两个元素是否逆序，是的话将两个元素交换，外层循环一次，就能将数组中剩下的元素
中最小的元素“浮”到最前面，所以称之为冒泡排序。
照例举个简单的实例吧：
初始状态：   [24, 19, 26, 39, 36, 7, 31, 29, 38, 23]
内层第一趟： [24, 19, 26, 39, 36, 7, 31, 29, 23 , 38 ] （ 9th [23]<->8th [38 ）
内层第二趟： [24, 19, 26, 39, 36, 7, 31, 23 , 29 , 38] （ 8th [23]<->7th [29] ）
内层第三趟： [24, 19, 26, 39, 36, 7, 23 , 31 , 29, 38] （ 7th [23]<->6th [31] ）
内层第四趟： [24, 19, 26, 39, 36, 7, 23, 31, 29, 38] （ 7 、 23 都位于正确的顺序，无需交换）
内层第五趟： [24, 19, 26, 39, 7 , 36 , 23, 31, 29, 38] （ 5th [7]<->4th [36] ）
内层第六趟： [24, 19, 26, 7 , 39 , 36, 23, 31, 29, 38] （ 4th [7]<->3rd [39] ）
内层第七趟： [24, 19, 7 , 26 , 39, 36, 23, 31, 29, 38] （ 3rd [7]<->2nd [26] ）
内层第八趟： [24, 7 , 19 , 26, 39, 36, 23, 31, 29, 38] （ 2nd [7]<->1st [19] ）
内层第九趟： [7 , 24 , 19, 26, 39, 36, 23, 31, 29, 38] （ 1st [7]<->0th [24] ）
…...
其实冒泡排序跟选择排序比较相像，比较次数一样，都为 n * (n + 1) / 2 ，但是冒泡排序在挑选最小值的过程中会
进行额外的交换（冒泡排序在排序中只要发现相邻元素的顺序不对就会进行交换，与之对应的是选择排序，只会在内层
循环比较结束之后根据情况决定是否进行交换），所以在我看来，选择排序属于冒泡排序的改进版。
实现代码：

/** * Bubble Sorting, it's very similar with Insertion Sorting */BUBBLE(new Sortable() {public <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array, boolean ascend) {int length = array.length;int lastExchangedIdx = 0;for (int i = 0; i < length; i++) {// mark the flag to identity whether exchange happened to falseboolean isExchanged = false;// last compare and exchange happened before reaching index iint currOrderedIdx = lastExchangedIdx > i ? lastExchangedIdx : i;for (int j = length - 1; j > currOrderedIdx; j--) {int compare = array[j - 1].compareTo(array[j]);if (compare != 0 && compare > 0 == ascend) {exchange(array, j - 1, j);isExchanged = true;lastExchangedIdx = j;}}// if no exchange happen means array is already in orderif (isExchanged == false) {break;}}}})

4. 快速排序
快速排序也是用归并方法实现的一个“分而治之”的排序算法，它的魅力之处在于它能在每次partition（排序算法的
核心所在）都能为一个数组元素确定其排序最终正确位置（一次就定位准，下次循环就不考虑这个元素了）。
快速排序的partition操作按以下逻辑进行，假定本次排序的数组为arr：
1） 选择一个元素（为了简单起见，就选择本次partition的第一个元素，即arr[0]）作为基准元素，接下来的步骤会
为其确定排序完成后最终的位置；
2） 1）  接下来需要遍历[1…n-1]对应的数组元素以帮助找到arr[0]值（以v替代）对应的位置，定义i为当前访问数
组的索引，lt为值小于v的最大索引，gt为值大于v的最小索引，那么在遍历过程中，如果发现i指向的值与v相等，则将
i值加1，继续下一次比较；如果i指向的值比v小，则将i和lt对应的元素进行交换，然后分别将两个索引加1；如果i指
向的值比v大，则将i与gt对应的元素进行交换，然后i自增，gt自减。循环遍历完成（i > gt时结束）之后可以保证[0
…lt-1]对应的值都是比v小的，[lt..gt]之间的值都是与v相等的，[gt+1…n-1]对应的值都是比v大的。
3） 分别对[0…lt-1]和[gt+1…n-1]两个子数组进行排序，如此递归，直至子子子数组的长度为0。
下面举个partition的具体实例：
初始（i = 1, lt = 0, gt = 8）：
       [41, 59, 43, 26, 63, 30, 29, 26, 42]（需要确定位置的为0th[41]）
第一趟（i = 1, lt = 0, gt = 8）：
       [41, 42, 43, 26, 63, 30, 29, 26, 59]（1st[59] > 41，1st[59]<->8th[42]，gt--）
第二趟（i = 1, lt = 0, gt = 7）：
       [41, 26, 43, 26, 63, 30, 29, 42, 59]（1st[42] > 41，1st[42]<->7th[26]，gt--）
第三趟（i = 1, lt = 0, gt = 6）：
       [26, 41, 43, 26, 63, 30, 29, 42, 59]（1st[26] < 41, 1st[26]<->0st[41]，i++, lt++）
第四趟（i = 2, lt = 1, gt = 6）：
       [26, 41, 29, 26, 63, 30, 43, 42, 59]（2nd[43] > 41，2nd[43]<->6th[29]，gt--）
第五趟（i = 2, lt = 1, gt = 5）：
       [26, 29, 41, 26, 63, 30, 43, 42, 59]（2nd[29] < 41, 2nd[29]<->1st[41]，i++，lt++）
第六趟（i = 3, lt = 2, gt = 5）：    
       [26, 29, 26, 41, 63, 30, 43, 42, 59]（3rd[26] < 41，3rd[26]<->2nd[41]，i++，lt++）
第七趟（i = 4, lt = 3, gt = 5）：
       [26, 29, 26, 41, 30, 63, 43, 42, 59] （4th[63] > 41，4th[63]<->5th[30]，gt--）
第八趟（i = 4, lt = 3, gt = 4）：    
       [26, 29, 26, 30, 41, 63, 43, 42, 59]（4th[30] < 41，4th[30]<->3rd[41]，i++，lt++）
可以看出，在一次partition之后，以41为分割线，41左侧皆为比它小的元素，41右侧皆为比它大或相等的元素（当然
这个实例比较特殊，没有出现和41相等的元素）。快速排序顾名思义就是排序速度非常快，后面我会放在我机器上跑各
个排序方法的时间对比图。值得一提的是JDK中在Arrays工具内中内置的sort方法就是接合插入排序和三路快速排序实
现的，有兴趣的同学可以看看JDK的源码。

实现代码：

/** * Quick Sorting */QUICK(new Sortable() {public <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array, boolean ascend) {this.sort(array, 0, array.length - 1, ascend);}private <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array, int lo, int hi, boolean ascend) {if (lo >= hi) {return;}T toFinal = array[lo];int leftIdx = lo;int rightIdx = hi;int i = lo + 1;while (i <= rightIdx) {int compare = array[i].compareTo(toFinal);if (compare == 0) {i++;} else if (compare < 0 == ascend) {exchange(array, leftIdx++, i++);} else {exchange(array, rightIdx--, i);}}// partially sort left array and right array// no need to include the leftIdx-th to rightIdx-th elements// since they are already in its final positionsort(array, lo, leftIdx - 1, ascend);sort(array, rightIdx + 1, hi, ascend);}})