快速排序的原理
来源:互联网 发布:中小型网络解决方案 编辑:程序博客网 时间:2024/04/28 06:14
一、快速排序的原理
来源:http://www.cnblogs.com/morewindows/archive/2011/08/13/2137415.html
快速排序由于排序效率在同为O(N*logN)的几种排序方法中效率较高,因此经常被采用,再加上快速排序思想----分治法也确实实用,因此很多软件公司的笔试面试,包括像腾讯,微软等知名IT公司都喜欢考这个,还有大大小的程序方面的考试如软考,考研中也常常出现快速排序的身影。
总的说来,要直接默写出快速排序还是有一定难度的,因为本人就自己的理解对快速排序作了下白话解释,希望对大家理解有帮助,达到快速排序,快速搞定。
快速排序是C.R.A.Hoare于1962年提出的一种划分交换排序。它采用了一种分治的策略,通常称其为分治法(Divide-and-ConquerMethod)。
该方法的基本思想是:
1.先从数列中取出一个数作为基准数。
2.分区过程,将比这个数大的数全放到它的右边,小于或等于它的数全放到它的左边。
3.再对左右区间重复第二步,直到各区间只有一个数。
虽然快速排序称为分治法,但分治法这三个字显然无法很好的概括快速排序的全部步骤。因此我的对快速排序作了进一步的说明:挖坑填数+分治法:
先来看实例吧,定义下面再给出(最好能用自己的话来总结定义,这样对实现代码会有帮助)。
以一个数组作为示例,取区间第一个数为基准数。
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
72
6
57
88
60
42
83
73
48
85
初始时,i = 0; j = 9; X = a[i] = 72
由于已经将a[0]中的数保存到X中,可以理解成在数组a[0]上挖了个坑,可以将其它数据填充到这来。
从j开始向前找一个比X小或等于X的数。当j=8,符合条件,将a[8]挖出再填到上一个坑a[0]中。a[0]=a[8]; i++; 这样一个坑a[0]就被搞定了,但又形成了一个新坑a[8],这怎么办了?简单,再找数字来填a[8]这个坑。这次从i开始向后找一个大于X的数,当i=3,符合条件,将a[3]挖出再填到上一个坑中a[8]=a[3]; j--;
数组变为:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
48
6
57
88
60
42
83
73
88
85
i = 3; j = 7; X=72
再重复上面的步骤,先从后向前找,再从前向后找。
从j开始向前找,当j=5,符合条件,将a[5]挖出填到上一个坑中,a[3] = a[5]; i++;
从i开始向后找,当i=5时,由于i==j退出。
此时,i = j = 5,而a[5]刚好又是上次挖的坑,因此将X填入a[5]。
数组变为:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
48
6
57
42
60
72
83
73
88
85
可以看出a[5]前面的数字都小于它,a[5]后面的数字都大于它。因此再对a[0…4]和a[6…9]这二个子区间重复上述步骤就可以了。
对挖坑填数进行总结
1.i =L; j = R; 将基准数挖出形成第一个坑a[i]。
2.j--由后向前找比它小的数,找到后挖出此数填前一个坑a[i]中。
3.i++由前向后找比它大的数,找到后也挖出此数填到前一个坑a[j]中。
4.再重复执行2,3二步,直到i==j,将基准数填入a[i]中。
照着这个总结很容易实现挖坑填数的代码:
int AdjustArray(int s[], int l, int r) //返回调整后基准数的位置
{
int i = l, j = r;
int x = s[l]; //s[l]即s[i]就是第一个坑
while (i < j)
{
// 从右向左找小于x的数来填s[i]
while(i < j && s[j] >= x)
j--;
if(i < j)
{
s[i] = s[j]; //将s[j]填到s[i]中,s[j]就形成了一个新的坑
i++;
}
// 从左向右找大于或等于x的数来填s[j]
while(i < j && s[i] < x)
i++;
if(i < j)
{
s[j] = s[i]; //将s[i]填到s[j]中,s[i]就形成了一个新的坑
j--;
}
}
//退出时,i等于j。将x填到这个坑中。
s[i] = x;
return i;
}
再写分治法的代码:
void quick_sort1(int s[], int l, int r)
{
if (l < r)
{
int i = AdjustArray(s, l, r);//先成挖坑填数法调整s[]
quick_sort1(s, l, i - 1); // 递归调用
quick_sort1(s, i + 1, r);
}
}
这样的代码显然不够简洁,对其组合整理下:
//快速排序
void quick_sort(int s[], int l, int r)
{
if (l < r)
{
//Swap(s[l], s[(l + r) / 2]); //将中间的这个数和第一个数交换 参见注1
int i = l, j = r, x = s[l];
while (i < j)
{
while(i < j && s[j] >= x) // 从右向左找第一个小于x的数
j--;
if(i < j)
s[i++] = s[j];
while(i < j && s[i] < x) // 从左向右找第一个大于等于x的数
i++;
if(i < j)
s[j--] = s[i];
}
s[i] = x;
quick_sort(s, l, i - 1); // 递归调用
quick_sort(s, i + 1, r);
}
}
快速排序还有很多改进版本,如随机选择基准数,区间内数据较少时直接用另的方法排序以减小递归深度。有兴趣的筒子可以再深入的研究下。
注1,有的书上是以中间的数作为基准数的,要实现这个方便非常方便,直接将中间的数和第一个数进行交换就可以了。
二、快速排序的复杂度
来源:http://book.51cto.com/art/201108/287089.htm
我们来分析一下快速排序法的性能。快速排序的时间性能取决于快速排序递归的深度,可以用递归树来描述递归算法的执行情况。如图9‐9‐7所示,它是{50,10,90,30, 70,40,80,60,20}在快速排序过程中的递归过程。由于我们的第一个关键字是50,正好是待排序的序列的中间值,因此递归树是平衡的,此时性能也比较好。
图9-9-7在最优情况下,Partition每次都划分得很均匀,如果排序n个关键字,其递归树的深度就为.log2n.+1(.x.表示不大于x的最大整数),即仅需递归log2n次,需要时间为T(n)的话,第一次Partiation应该是需要对整个数组扫描一遍,做n次比较。然后,获得的枢轴将数组一分为二,那么各自还需要T(n/2)的时间(注意是最好情况,所以平分两半)。于是不断地划分下去,我们就有了下面的不等式推断。
- T(n)≤2T(n/2) +n,T(1)=0
- T(n)≤2(2T(n/4)+n/2) +n=4T(n/4)+2n
- T(n)≤4(2T(n/8)+n/4) +2n=8T(n/8)+3n
- ……
- T(n)≤nT(1)+(log2n)×n= O(nlogn)
也就是说,在最优的情况下,快速排序算法的时间复杂度为O(nlogn)。
在最坏的情况下,待排序的序列为正序或者逆序,每次划分只得到一个比上一次划分少一个记录的子序列,注意另一个为空。如果递归树画出来,它就是一棵斜树。此时需要执行n‐1次递归调用,且第i次划分需要经过n‐i次关键字的比较才能找到第i个记录,也就是枢轴的位置,因此比较次数为 ,最终其时间复杂度为O(n2)。
平均的情况,设枢轴的关键字应该在第k的位置(1≤k≤n),那么:
由数学归纳法可证明,其数量级为O(nlogn)。
就空间复杂度来说,主要是递归造成的栈空间的使用,最好情况,递归树的深度为log2n,其空间复杂度也就为O(logn),最坏情况,需要进行n‐1递归调用,其空间复杂度为O(n),平均情况,空间复杂度也为O(logn)。
可惜的是,由于关键字的比较和交换是跳跃进行的,因此,快速排序是一种不稳定的排序方法。
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