Quick Select Algorithm 快速选择算法

朱雀 2022-06-18 06:48 194阅读 0赞

> 更多代码和Leetcode题目解析[请看这里][Link 1]

## 什么是*Quick select*? ##

*  `Quick select`算法通常用来在未排序的数组中寻找第k小/第k大的元素。其方法类似于`Quick sort`。`Quick select`和`Quick sort`都是由[Tony Hoare][]发明的，因此`Quick select`算法也被称为是`Hoare's selection algorithm`。
 *  `Quick select`算法因其高效和良好的average case时间复杂度而被广为应用。`Quick select`的average case时间复杂度为`O(n)`，然而其worst case时间复杂度为`O(n^2)`。
 *  总体而言，`Quick select`采用和`Quick sort`类似的步骤。首先选定一个`pivot`，然后根据每个数字与该`pivot`的大小关系将整个数组分为两部分。那么与`Quick sort`不同的是，`Quick select`只考虑所寻找的目标所在的那一部分子数组，而非像`Quick sort`一样分别再对两边进行分割。正是因为如此，`Quick select`将平均时间复杂度从`O(nlogn)`降到了`O(n)`。

## *Quick select*算法描述 ##

**Input: array nums, int k. (find kth smallest element in an unsorted array)**  
**Output: int target**

> 1.  Choose an element from the array as pivot, exchange the position of pivot and number at the end of the array.  
>     
>     
>      *  *The pivot can either be the end element or a random chosen element. A random chosen pivot can make the algorithm much possibly run in average case time.* 
> 2.  Partition the array into 2 parts in which the numbers in left subarray is less than (or equal to) the pivot and the numbers in right subarray is greater than (or equal to) the pivot.
> 3.  Exchange pivot (at the end of the array now) with the first element in the right part.
> 4.  Compare k with length of the left subarray, say, len.  
>     
>     
>      *  if k == len + 1， then pivot is the target.
>      *  if k <= len, repeat from step 1 on the left subarray.
>      *  if k > len, k = k - len, repeat from step 1 on the right subarray.

## *Quick Select* Java实现 ##

Java代码如下：

public class Solution {
        public int findKthSmallest(int[] nums, int k) {
            if (nums == null || nums.length == 0) {
                return Integer.MIN_VALUE;
            }
    
            int len = nums.length;
    
            return quickSelect(nums, k, 0, len - 1);
        }
    
        private int quickSelect(int[] nums, int k, int start, int end) {
    
            //Choose a pivot randomly
            Random rand = new Random();
            int index = rand.nextInt(end - start + 1) + start;
            int pivot = nums[index];
            swap(nums, index, end);
    
            int left = start, right = end;
    
            while(left < right) {
                if (nums[left++] >= pivot) {
                    swap(nums, --left, --right);
                }
            }
            //left is now pointing to the first number that is greater than or equal to the pivot
            swap(nums, left, end);
    
            //m is the number of numbers that is smaller than pivot
            int m = left - start;
    
            if (m == k - 1) { //in order to find the kth smallest number, there must be k - 1 number smaller than it 
                return pivot;
            }
            else if (k <= m) { //target is in the left subarray
                return quickSelect(nums, k, start, left - 1);
            }
            else { 
                //target is in the right subarray, but need to update k 
                //Since we have discarded m numbers smaller than it which is in the right subarray
                return quickSelect(nums, k - m, left, end);
            }
        }
    
        private void swap(int[] nums, int i, int j) {
            int tmp = nums[i];
            nums[i] = nums[j];
            nums[j] = tmp;
        }
    }

> **注意：在上节和本节中给出的算法和代码无法处理数组中有重复的情况。对于数组中有重复数字的情况，可以先扫描整个数组，利用`HashSet`或其他数据结构得到所有唯一的数字，然后使用本算法处理。**

## *Quick Select*复杂度分析 ##

1.  时间复杂度  
    完整的平均时间复杂度分析非常复杂，在这里不再赘述。有兴趣的可以[看这里][Link 2]。  
    一般来说，因为我们才用了随机选取pivot的过程，平均来看，我们可以假设每次pivot都能选在中间位置。设算法时间复杂度为`T(n)`。在第一层循环中，我们将pivot与`n`个元素进行了比较，这个时间为`cn` 。  
    所以第一步时间为：`T(n) = cnc + T(n/2)`。其中`T(n/2)`为接下来递归搜索其中一半的子数组所需要的时间。  
    在递归过程中，我们可以得到如下公式：  
    `T(n/2) = c(n/2) + T(n/4)`  
    `T(n/4) = c(n/4) + T(n/8)`  
    `...`  
    `T(2) = 2*c + T(1)`  
    `T(1) = 1*c`  
    将以上公式循环相加消除`T`项可以得到：  
    `T(n) = c(n + n/2 + n/4 + n/8 + ... + 2 + 1) = 2n = O(n)`  
    因此得到*Quick Select*算法的时间复杂度为`O(n)`。
2.  空间复杂度  
    算法没有使用额外空间，swap操作是inplace操作，所以算法的空间复杂度为`O(1)`。

[Link 1]: https://github.com/YaokaiYang-assaultmaster/LeetCode
[Tony Hoare]: https://en.wikipedia.org/wiki/Tony_Hoare
[Link 2]: http://stackoverflow.com/a/25796762/6037083