这个排序是必会的哈（上）-阿里云开发者社区

这个排序是必会的哈（上）

2023-01-06 80

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简介： 《基础》

约定

待排序的元素需要实现 Java 的 Comparable 接口，该接口有 compareTo() 方法，可以用它来判断两个元素的大小关系。

使用辅助函数 less() 和 swap() 来进行比较和交换的操作，使得代码的可读性和可移植性更好。

排序算法的成本模型是比较和交换的次数。

public abstract class Sort<T extends Comparable<T>> {
    public abstract void sort(T[] nums);
    protected boolean less(T v, T w) {
        return v.compareTo(w) < 0;
    }
    protected void swap(T[] a, int i, int j) {
        T t = a[i];
        a[i] = a[j];
        a[j] = t;
    }
}

选择排序

从数组中选择最小元素，将它与数组的第一个元素交换位置。再从数组剩下的元素中选择出最小的元素，将它与数组的第二个元素交换位置。不断进行这样的操作，直到将整个数组排序。

选择排序需要 ~N²/2 次比较和 ~N 次交换，它的运行时间与输入无关，这个特点使得它对一个已经排序的数组也需要这么多的比较和交换操作。

public class Selection<T extends Comparable<T>> extends Sort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        int N = nums.length;
        for (int i = 0; i < N - 1; i++) {
            int min = i;
            for (int j = i + 1; j < N; j++) {
                if (less(nums[j], nums[min])) {
                    min = j;
                }
            }
            swap(nums, i, min);
        }
    }
}

冒泡排序

从左到右不断交换相邻逆序的元素，在一轮的循环之后，可以让未排序的最大元素上浮到右侧。

在一轮循环中，如果没有发生交换，那么说明数组已经是有序的，此时可以直接退出。

public class Bubble<T extends Comparable<T>> extends Sort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        int N = nums.length;
        boolean isSorted = false;
        for (int i = N - 1; i > 0 && !isSorted; i--) {
            isSorted = true;
            for (int j = 0; j < i; j++) {
                if (less(nums[j + 1], nums[j])) {
                    isSorted = false;
                    swap(nums, j, j + 1);
                }
            }
        }
    }
}

插入排序

每次都将当前元素插入到左侧已经排序的数组中，使得插入之后左侧数组依然有序。

对于数组 {3, 5, 2, 4, 1}，它具有以下逆序：(3, 2), (3, 1), (5, 2), (5, 4), (5, 1), (2, 1), (4, 1)，插入排序每次只能交换相邻元素，令逆序数量减少 1，因此插入排序需要交换的次数为逆序数量。

插入排序的时间复杂度取决于数组的初始顺序，如果数组已经部分有序了，那么逆序较少，需要的交换次数也就较少，时间复杂度较低。

平均情况下插入排序需要 ~N²/4 比较以及 ~N²/4 次交换；
最坏的情况下需要 ~N²/2 比较以及 ~N²/2 次交换，最坏的情况是数组是倒序的；
最好的情况下需要 N-1 次比较和 0 次交换，最好的情况就是数组已经有序了。

public class Insertion<T extends Comparable<T>> extends Sort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        int N = nums.length;
        for (int i = 1; i < N; i++) {
            for (int j = i; j > 0 && less(nums[j], nums[j - 1]); j--) {
                swap(nums, j, j - 1);
            }
        }
    }
}

希尔排序

对于大规模的数组，插入排序很慢，因为它只能交换相邻的元素，每次只能将逆序数量减少 1。希尔排序的出现就是为了解决插入排序的这种局限性，它通过交换不相邻的元素，每次可以将逆序数量减少大于 1。

希尔排序使用插入排序对间隔 h 的序列进行排序。通过不断减小 h，最后令 h=1，就可以使得整个数组是有序的。

public class Shell<T extends Comparable<T>> extends Sort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        int N = nums.length;
        int h = 1;
        while (h < N / 3) {
            h = 3 * h + 1; // 1, 4, 13, 40, ...
        }
        while (h >= 1) {
            for (int i = h; i < N; i++) {
                for (int j = i; j >= h && less(nums[j], nums[j - h]); j -= h) {
                    swap(nums, j, j - h);
                }
            }
            h = h / 3;
        }
    }
}

希尔排序的运行时间达不到平方级别，使用递增序列 1, 4, 13, 40, ... 的希尔排序所需要的比较次数不会超过 N 的若干倍乘于递增序列的长度。后面介绍的高级排序算法只会比希尔排序快两倍左右。

归并排序

归并排序的思想是将数组分成两部分，分别进行排序，然后归并起来。

1. 归并方法

归并方法将数组中两个已经排序的部分归并成一个。

public abstract class MergeSort<T extends Comparable<T>> extends Sort<T> {
    protected T[] aux;
    protected void merge(T[] nums, int l, int m, int h) {
        int i = l, j = m + 1;
        for (int k = l; k <= h; k++) {
            aux[k] = nums[k]; // 将数据复制到辅助数组
        }
        for (int k = l; k <= h; k++) {
            if (i > m) {
                nums[k] = aux[j++];
            } else if (j > h) {
                nums[k] = aux[i++];
            } else if (aux[i].compareTo(aux[j]) <= 0) {
                nums[k] = aux[i++]; // 先进行这一步，保证稳定性
            } else {
                nums[k] = aux[j++];
            }
        }
    }
}

2. 自顶向下归并排序

将一个大数组分成两个小数组去求解。

因为每次都将问题对半分成两个子问题，这种对半分的算法复杂度一般为 O(NlogN)。

public class Up2DownMergeSort<T extends Comparable<T>> extends MergeSort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        aux = (T[]) new Comparable[nums.length];
        sort(nums, 0, nums.length - 1);
    }
    private void sort(T[] nums, int l, int h) {
        if (h <= l) {
            return;
        }
        int mid = l + (h - l) / 2;
        sort(nums, l, mid);
        sort(nums, mid + 1, h);
        merge(nums, l, mid, h);
    }
}

3. 自底向上归并排序

先归并那些微型数组，然后成对归并得到的微型数组。

public class Down2UpMergeSort<T extends Comparable<T>> extends MergeSort<T> {
    @Override
    public void sort(T[] nums) {
        int N = nums.length;
        aux = (T[]) new Comparable[N];
        for (int sz = 1; sz < N; sz += sz) {
            for (int lo = 0; lo < N - sz; lo += sz + sz) {
                merge(nums, lo, lo + sz - 1, Math.min(lo + sz + sz - 1, N - 1));
            }
        }
    }
}