java实现快速排序

public class Code17_PartitionAndQuickSort {
    /**
     * 荷兰国旗 和 快速排序
     *
     * 荷兰国旗问题
     * 给定一个数组arr，和一个数num，请把小于等于num的数放在数组的左边，大于num的数放在数组的右边。
     * 要求额外空间复杂度O(1）,时间复杂度 O(N）
     *
     *
     *  <= X > X
     *
     * */
    //交换函数
    public static void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int tmp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = tmp;
    }
    /**
     * 给定一个数组arr，和一个数num，请把小于等于num的数放在数组的左边，
     * 大于num的数放在数组的右边。要求额外空间复杂度O(1）,时间复杂度 O(N）
     * 从左到右，当遇到小于a的数 ，<=区向右进1
     * 当遇到大于a的数 ，跳过
     * 之后再遇到小于等于a的数 就当前数和小于等于区下一个数交换 小于等于区向右扩一
     *
     * */
    //划分
    public static int partition(int[] arr, int L, int R) {
        if (L > R) {
            return -1;
        }
        if (L == R) {
            return L;
        }
        //定义小于区右边的边界
        int lessEqual = L - 1;
        //从左边开始
        int index = L;
        while (index < R) {
            //以右边界为界限，来进行交换
            if (arr[index] <= arr[R]) {
                swap(arr, index, ++lessEqual);
            }
            index++;
        }
        //将最右边的X和小于等于下一个交换 将X归入进去
        swap(arr, ++lessEqual, R);
        return lessEqual;
    }
    /**
     *
     * 1 当前数<目标  当前数和 <区的下一个交换 <区 向右扩 当前数跳下一个
     * 2  当前数=目标 当前数直接跳下一个
     * 3  当前数>目标  当前数和 >区前一个交换 <区左扩 当前数不变
     *
     * arr[R]做划分 当成X
     * */
    //荷兰国旗 问题
    //给定一个数组arr,和一个数num，请把小于num的数放在数组的左边，等于num的数放在数组的中间，
    //大于num的数放在数组的右边。要求额外空间复杂度O(1)，时间复杂度O(N)
    // arr[L...R] 玩荷兰国旗问题的划分，把数组的最右边的数作为X    以arr[R]做划分
    //返回值 是等于区域的数组下标的范围
    public static int[] netherlandsFlag(int[] arr, int L, int R) {
        if (L > R) { // L...R L>R
            return new int[] { -1, -1 };
        }
        if (L == R) {
            return new int[] { L, R };
        }
        //定义小于等于区
        int less = L - 1; // < 区 右边界
        //定义大于等于区
        int more = R; // > 区 左边界 R位置的数直接放在大于区域  在后面在换回来
        int index = L;
        //三种情况进行讨论
        while (index < more) { // 当前位置，不能和 >区的左边界撞上
            //当相等的时候 当前数直接跳下一个
            if (arr[index] == arr[R]) {
                index++;
            } else if (arr[index] < arr[R]) {
                //小于目标数
                //当前值和小于区的下一位交换
//        swap(arr, less + 1, index);
                //小于区向右扩
//        less++;
//        index++;
                //等价于上面三行代码
                swap(arr, index++, ++less);
            } else { // >
                //当前值和大于区的前一位交换 大于区向左扩增
                swap(arr, index, --more);
            }
        }
        //最后处理最右边的这个数
        //将X 和大于区域的第一个数交换 将最右边的归入等于区域
        swap(arr, more, R); // <[R]   =[R]   >[R]
        return new int[] { less + 1, more };
    }
    //快排 就是上面的一个递归过程
    public static void quickSort1(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process1(arr, 0, arr.length - 1);
    }
    public static void process1(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        // L..R partition arr[R] [ <=arr[R] arr[R] >arr[R] ]
        //
        int M = partition(arr, L, R);
        process1(arr, L, M - 1);
        process1(arr, M + 1, R);
    }
    public static void quickSort2(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process2(arr, 0, arr.length - 1);
    }
    // arr[L...R] 排有序，快排2.0方式  搞定一批数
    public static void process2(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        // [ equalArea[0]  ,  equalArea[0]]
        //能最先找到一组等于X的一组数  等于区域找到
        //之后还是左右，各找新的划分值 再次递归确定
        //这个数组是等于区域的数组的左右区域下标
        int[] equalArea = netherlandsFlag(arr, L, R);
        //小于区域 再拍戏
        process2(arr, L, equalArea[0] - 1);
        //大于区域 再排序
        process2(arr, equalArea[1] + 1, R);
    }
    public static void quickSort3(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process3(arr, 0, arr.length - 1);
    }
    public static void process3(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        //随机快排
        //随机选择一个数来做划分值
        //划分值定的越准 时间复杂度就是贴近(O(N*logN))
        //长期的期望 数学家证明过 这个概率
        swap(arr, L + (int) (Math.random() * (R - L + 1)), R);
        int[] equalArea = netherlandsFlag(arr, L, R);
        process3(arr, L, equalArea[0] - 1);
        process3(arr, equalArea[1] + 1, R);
    }
    //对数器
    // for test
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }
    // for test
    public static int[] copyArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return null;
        }
        int[] res = new int[arr.length];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            res[i] = arr[i];
        }
        return res;
    }
    // for test
    public static boolean isEqual(int[] arr1, int[] arr2) {
        if ((arr1 == null && arr2 != null) || (arr1 != null && arr2 == null)) {
            return false;
        }
        if (arr1 == null && arr2 == null) {
            return true;
        }
        if (arr1.length != arr2.length) {
            return false;
        }
        for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
            if (arr1[i] != arr2[i]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    // for test
    public static void printArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }
    // for test
    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 100;
        int maxValue = 100;
        boolean succeed = true;
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr1 = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            int[] arr2 = copyArray(arr1);
            int[] arr3 = copyArray(arr1);
            quickSort1(arr1);
            quickSort2(arr2);
            quickSort3(arr3);
            if (!isEqual(arr1, arr2) || !isEqual(arr2, arr3)) {
                succeed = false;
                break;
            }
        }
        System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Oops!");
    }
}