快速排序算法

简介: 快速排序算法

关于快速排序有很多中写法,对于初学者可能会很疑惑究竟哪种是“标准写法”,事实上只要符合快速排序算法的要求都可以叫做快速排序。而快速排序实际上就是选取一个基准值,将待排序数组按照基准值分为两部分,左边的都小于基准值,右边的都大于基准值,左右两部分分别继续上面的操作,分而治之,从而让整个数组有序。这是快速排序的根本原理,至于在具体实现细节上有各种各样的版本,其实都是做了一些优化。具体来看一下各种版本:

待排序数组:

vector<int> vec = { 2, 3, 2, 3, 4, 1, 5 };
int length = vec.size();//7

(假定我们每次选取最左边的数为基准值)

交换(一)

两个标兵left和right,初始 left 指向 0 的位置,right 指向 length - 1 位置。

先让right往左走(为什么?),走到比基准值小的值的位置,right = 5

再让left往右走,走到比基准值大的值的位置 left = 1

让vec[left] 和 vec[right]交换

交换完成,重复上诉步骤(让right往左走,走到比基准值小的值的位置,left往右走,走到比基准值大的值的位置,交换),直到left == right。

这时将vec[left] 与 基准值交换(vec[left] 一定小于基准值,因为每次都是right先走到小于基准值的位置,right在等left)

完成后基准值左边的都小于基准值,右边的都大于基准值。

之后再对左右部分分别进行上述操作。

实现代码:

void quicksort(int left, int right) {
  int i, j, t, temp;
  if (left > right) return;
  temp = vec[left];
  i = left;
  j = right;
  while (i != j) {
    //顺序很重要
    while (vec[j] >= temp && i < j)
      j--;
    while (vec[i] <= temp && i < j)
      i++;
    if (i < j) {
      t = vec[i];
      vec[i] = vec[j];
      vec[j] = t;
    }
  }
  vec[left] = vec[i];
  vec[i] = temp;
  quicksort(left, i - 1);
  quicksort(i + 1, right);
  return;
}

交换(二)

在交换(一)中,我们先让左右标兵走,碰头时再把基准值和碰头位置的值交换。

事实上,我们要做的就是将基准值放在一个正确的位置,使得基准值左边的都小于基准值,基准值右边的都大于基准值。

因此,在交换过程中,我们可以带着基准值走。即当right走到比基准值小的值的位置时,将基准值与right位置所在的值交换,当left走到比基准值大的值的位置时,将基准值与left位置所在的值交换。

void swp(int &a, int &b) {
  int t = a;
  a = b;
  b = t;
}
void quicksort(int left, int right) {
  int i, j, temp;
  if (left > right) return;
  i = left;
  j = right;
  temp = vec[left];
  while (i != j) {
    while (i < j && vec[j] >= temp)
      j--;
    swp(vec[i], vec[j]);
    while (i < j && vec[i] <= temp)
      i++;
    swp(vec[i], vec[j]);
  }
  quicksort(left, i - 1);
  quicksort(i + 1, right);
  return;
}

挖坑

试想,如果我们每次把基准值保存在一个临时变量中,是不是也就意味着数组中空出来一个位置(因为这个位置的值已经保存到临时变量中,我们想恢复整个数组随时可以恢复)

因此当以最左边的值为基准值时,将该值保存到临时变量中,最左边的值也就空出来了,这样当right找到比基准值小的值时,直接将该值放入空位置,这样right所指的位置又空了出来,等待left找到比基准值大的值放入。这样当left和right碰头时,也正是空位置的值,也正是基准值该待的位置。(这里说的空位置,并不是实际的没有数据,而是这个位置的数据已经有了拷贝,所以位置的值可以覆盖,和空位置的效果一样)

void quicksort(int l, int r) {
  int left = l;
  int right = r;
  if (left > right) return;
  int tmp = vec[l];
  while (left < right) {
    while (left < right && vec[right] >= tmp) right--;
    if (left < right) vec[left++] = vec[right];
    while (left < right && vec[left] <= tmp) left++;
    if (left < right) vec[right--] = vec[left];
  }
  vec[left] = tmp;
  quicksort(l, left - 1);
  quicksort(left + 1, r);
}

以上便是几种快速排序朴素的实现方式。

之所以说朴素是因为算法只是按照快排的概念而写,优化的力度不大。

比如:

在上面的实现中,我们每次都以最左边的值作为基准值,但是对于下面这组数据,试想会怎么样?

vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };

基准值为整个数组的极小值,在right向左找的比 1 小的元素时需要遍历整个数组,如果数组很长,可见效率是很低的,时间复杂度可能退化到O(n^2)。因此,快速排序中基准值的选取也是有讲究的,因为选取一个好的基准值,每次大致可以将数组对半分,从而达到O(logn)级别。

因此,为了避免选取到数组的极值,我们可以选取数组中左、中、右三个数的中值作为基准值,也就是三数取中

int temp;
int m = left+ (right - left) / 2;
//让vec[right]为最大值
if (vec[left] > vec[right]) swp(vec[left], vec[right]);
if (vec[m] > vec[right]) swp(vec[m], vec[right]);
//让vec[left]为第二大值
if (vec[m] > vec[left]) swp(vec[m], vec[left]);
temp = vec[left];

经过交换后最左边的值至少不会是数组的极值,因此效率不会降到最低。

还有一种优化是尾递归的优化

void quicksort(int l, int r) {
  while (l < r) {
    int left = l, right = r, tmp = vec[l];
    while (left < right) {
      while (left < right && vec[right] >= tmp) right--;
      if (left < right) vec[left++] = vec[right];
      while (left < right && vec[left] <= tmp) left++;
      if (left < right) vec[right--] = vec[left];
    }
    vec[left] = tmp;
    quicksort(l, left - 1);
    l = left + 1;
  }
}

多加一层循环while (l < r),左半部分采用递归,右半部分循环迭代,避免过多的开辟栈空间,在空间上进行了优化。

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