排序算法分类排序算法时间复杂度、空间复杂度、稳定性

你的名字 2024-02-19 20:34 58阅读 0赞

## 排序算法比较表格 ##

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1 归并排序可以通过手摇算法将空间复杂度降到O（1），但是时间复杂度会提高。  
2 基数排序时间复杂度为O（N\*M），其中N为数据个数，M为数据位数。  
辅助记忆

*  #### 时间复杂度记忆- ####

#### **冒泡、选择、直接 排序需要两个for循环，每次只关注一个元素，平均时间复杂度为O（n2）（一遍找元素O(n)，一遍找位置O(n)）** ####

#### 快速、归并、希尔、堆基于二分思想，log以2为底，平均时间复杂度为O(nlogn)（一遍找元素O(n)，一遍找位置O(logn)） ####

*  #### 稳定性记忆-“快希选堆”（快牺牲稳定性） ####

#### 排序算法的稳定性：排序前后相同元素的相对位置不变，则称排序算法是稳定的；否则排序算法是不稳定的。 ####

####  ####

## 原理理解 ##

### 1 冒泡排序 ###

#### 1.1 过程 ####

旧版本：

冒泡排序从小到大排序：一开始交换的区间为0~N-1，将第1个数和第2个数进行比较，前面大于后面，交换两个数，否则不交换。再比较第2个数和第三个数，前面大于后面，交换两个数否则不交换。依次进行，最大的数会放在数组最后的位置。然后将范围变为0~N-2，数组第二大的数会放在数组倒数第二的位置。依次进行整个交换过程，最后范围只剩一个数时数组即为有序。

改进版本：

冒泡排序从小到大排序：开始在数组0~n-1范围内选择一个最大值放在n-1位置上，然后在数组0~n-2的范围内选择一个最大值放在n-2位置上，以此类推，直到只剩下第一个元素时，此时数组是有序的。

#### 1.2 动图    ####

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1.3 核心代码（函数）

// 这是一个冒泡排序法
        public static void BubbleSort(int array[]){
            for(int i = array.length-1; i > 0 ; i --){
                for(int j = 0; j < i; j++){
                    if(array[j]>array[j+1]){
                        int temp = array[j];
                        array[j] = array[j+1];
                        array[j+1] = temp;
                    }
                }
            }
        }

#### 2 选择排序 ####

#### 2.1 过程 ####

选择排序从小到大排序：一开始从0~n-1区间上选择一个最小值，将其放在位置0上，然后在1~n-1范围上选取最小值放在位置1上。重复过程直到剩下最后一个元素，数组即为有序。

#### 2.2 动图 ####

//array[]为待排序数组，n为数组长度
    void selectSort(int array[], int n)
    {
        int i, j ,min ,k;
        for( i=0; i<n-1; i++)
        {
            min=i; //每趟排序最小值先等于第一个数，遍历剩下的数
            for( j=i+1; j<n; j++) //从i下一个数开始检查
            {
                if(array[min]>array[j])
                {
                    min=j;
                }
            }
            if(min!=i)
            {
                k=array[min];
                array[min]=array[i];
                array[i]=k;
            }
        }
    }

### 3 插入排序   3.1 过程 ###

插入排序从小到大排序：首先位置1上的数和位置0上的数进行比较，如果位置0上的数大于位置1上的数，将位置0上的数向后移一位，将1插入到0位置，否则不处理。位置k上的数和之前的数依次进行比较，如果位置K上的数更小，将之前的数向后移位，最后将位置k上的数插入不满足条件点，反之不处理。

#### 3.2 动图    ####

![20190709145613820.gif][]

![20190709145635851.gif][]

#### 3.3 核心代码（函数） ####

//array[]为待排序数组，n为数组长度
    void insertSort(int array[], int n)
    {
        int i,j,temp;
        for( i=1;i<n;i++)
        {
            if(array[i]<array[i-1])
            {
                temp=array[i];
                for( j=i;array[j-1]>temp;j--)
                {
                    array[j]=array[j-1];
                }
                array[j]=temp;
            }
        }
    }

这有个缺点就是当第一个数大于第二数的时候会有问题，  
所以我进行一点小小的改进，当i==1时，和i>1分开

public static void insertSort3(int array[],int n){
    
        for(int i =1;i<n;i++){
            int temp = array[i];
            if(i==1 && array[i-1]>array[i]){
                array[i] = array[i-1];
                array[i-1] = temp;
            }
            for(int j=i;j>=0;j--){
                if (array[j-1]>temp){
                    array[j]= array[j-1];
                }else {
                    array[j] = temp;
                    break;
                }
            }
        }
    }

#### 4 归并排序 ####

#### 4.1 过程 ####

归并排序从小到大排序：首先让数组中的每一个数单独成为长度为1的区间，然后两两一组有序合并，得到长度为2的有序区间，依次进行，直到合成整个区间。

#### 4.2 动图 ####

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4.3 核心代码（函数）

*  递归实现
    
        实现归并，并把数据都放在list1里面 
        void merging(int *list1, int list1_size, int *list2,  int list2_size)
        {
            int i=0, j=0, k=0, m=0;
            int temp[MAXSIZE];
        
            while(i < list1_size && j < list2_size)
            {
                if(list1[i]<list2[j])
                {
                    temp[k++] = list1[i++];
                }
                else
                {
                    temp[k++] = list2[j++];
                }
            }
            while(i<list1_size)
            {
                temp[k++] = list1[i++];
            }
            while(j<list2_size)
            {
                temp[k++] = list2[j++];
            }
        
            for(m=0; m < (list1_size+list2_size); m++)
            {
                list1[m]=temp[m];
            }
        }
        //如果有剩下的，那么说明就是它是比前面的数组都大的，直接加入就可以了 
        void mergeSort(int array[], int n)
        {
            if(n>1)
            {
                int *list1 = array;
                int list1_size = n/2;
                int *list2 = array + n/2;
                int list2_size = n-list1_size;
        
                mergeSort(list1, list1_size);
                mergeSort(list2, list2_size);
        
                merging(list1, list1_size, list2, list2_size);
            }
        }
        //归并排序复杂度分析：一趟归并需要将待排序列中的所有记录  
        //扫描一遍，因此耗费时间为O(n),而由完全二叉树的深度可知，  
        //整个归并排序需要进行[log2n],因此，总的时间复杂度为  
        //O(nlogn),而且这是归并排序算法中平均的时间性能  
        //空间复杂度：由于归并过程中需要与原始记录序列同样数量级的  
        //存储空间去存放归并结果及递归深度为log2N的栈空间，因此空间  
        //复杂度为O(n+logN)  
        //也就是说，归并排序是一种比较占内存，但却效率高且稳定的算法
 *  迭代实现

void MergeSort(int k[],int n)  
    {  
        int i,next,left_min,left_max,right_min,right_max;  
        //动态申请一个与原来数组一样大小的空间用来存储
        int *temp = (int *)malloc(n * sizeof(int));  
        //逐级上升，第一次比较2个，第二次比较4个，第三次比较8个。。。  
        for(i=1; i<n; i*=2)  
        {  
            //每次都从0开始，数组的头元素开始  
            for(left_min=0; left_min<n-i; left_min = right_max)  
            {  
                right_min = left_max = left_min + i;  
                right_max = left_max + i;  
                //右边的下标最大值只能为n  
                if(right_max>n)  
                {  
                    right_max = n;  
                }  
                //next是用来标志temp数组下标的，由于每次数据都有返回到K，  
                //故每次开始得重新置零  
                next = 0;  
                //如果左边的数据还没达到分割线且右边的数组没到达分割线，开始循环  
                while(left_min<left_max&&right_min<right_max)  
                {  
                    if(k[left_min] < k[right_min])  
                    {  
                        temp[next++] = k[left_min++];  
                    }  
                    else  
                    {  
                        temp[next++] = k[right_min++];  
                    }  
                }  
                //上面循环结束的条件有两个，如果是左边的游标尚未到达，那么需要把  
                //数组接回去，可能会有疑问，那如果右边的没到达呢，其实模拟一下就可以  
                //知道，如果右边没到达，那么说明右边的数据比较大，这时也就不用移动位置了  
    
                while(left_min < left_max)  
                {  
                    //如果left_min小于left_max，说明现在左边的数据比较大  
                    //直接把它们接到数组的min之前就行  
                    k[--right_min] = k[--left_max];   
                }  
                while(next>0)  
                {  
                    //把排好序的那部分数组返回该k  
                    k[--right_min] = temp[--next];        
                }  
            }  
        }  
    }  
    //非递归的方法，避免了递归时深度为log2N的栈空间，
    //空间只是用到归并临时申请的跟原来数组一样大小的空间，并且在时间性能上也有一定的提升，
    //因此，使用归并排序是，尽量考虑用非递归的方法。

#### 5 快速排序 ####

#### 5.1 过程 ####

快速排序从小到大排序：在数组中随机选一个数（默认数组首个元素），数组中小于等于此数的放在左边，大于此数的放在右边，再对数组两边递归调用快速排序，重复这个过程。

#### 5.2 动图 ####

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#### 5.3 核心代码（函数） ####

推荐程序（好理解）

//接口调整
    void adjust_quicksort(int k[],int n)  
    {  
       quicksort(k,0,n-1);  
    }  
    void quicksort(int a[], int left, int right)  
    {  
        int i,j,t,temp;  
        if(left>right)   //（递归过程先写结束条件）
           return;  
    
        temp=a[left]; //temp中存的就是基准数  
        i=left;  
        j=right;  
        while(i!=j)  
        {  
                       //顺序很重要，要先从右边开始找（最后交换基准时换过去的数要保证比基准小，因为基准                               
                       //选取数组第一个数，在小数堆中） 
                       while(a[j]>=temp && i<j)  
                                j--;  
                       //再找右边的  
                       while(a[i]<=temp && i<j)  
                                i++;  
                       //交换两个数在数组中的位置  
                       if(i<j)  
                       {  
                                t=a[i];  
                                a[i]=a[j];  
                                a[j]=t;  
                       }  
        }  
        //最终将基准数归位 （之前已经temp=a[left]过了，交换只需要再进行两步）
        a[left]=a[i];  
        a[i]=temp;  
    
        quicksort(left,i-1);//继续处理左边的，这里是一个递归的过程  
        quicksort(i+1,right);//继续处理右边的 ，这里是一个递归的过程  
    }

#### java 代码 ####

public class QuickSort {
        //这是一个非常重要的排序方法（快速排序）
        public static int getMiddle(int array[],int left,int right){
            int key = array[left];
            int i = left;
            int j = right;
            while(i<j){
                while(array[j]>=key&&i<j){
                    j--;
                }
                while(array[i]<=key&&i<j){
                    i++;
                }if(i<j){
                    int temp = array[j];
                    array[j] = array[i];
                    array[i] = temp;
                }
            }
            array[left] = array[i];
            array[i] = key;
            return i;
        }
        public static void quickSort(int array[],int left,int right){
            if(left<right){
                int middle = getMiddle(array,left,right);
                quickSort(array,left,middle -1);
                quickSort(array,middle+1,right);
            }
        }
        public static void main(String[] args){
            int num[] ={ 45,5,89,17,20,36,8,2,54,15,6,459};
            quickSort(num,0,num.length-1);
            for(int n:num){
                System.out.print(" "+n);
            }
        }
    }

#### 6 堆排序   6.1 过程 ####

堆排序从小到大排序：首先将数组元素建成大小为n的大顶堆，堆顶（数组第一个元素）是所有元素中的最大值，将堆顶元素和数组最后一个元素进行交换，再将除了最后一个数的n-1个元素建立成大顶堆，再将最大元素和数组倒数第二个元素进行交换，重复直至堆大小减为1。

注：完全二叉树  
假设二叉树深度为n，除了第n层外，n-1层节点都有两个孩子，第n层节点连续从左到右。如下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDI5NDI1Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

注：大顶堆  
大顶堆是具有以下性质的完全二叉树：每个节点的值都大于或等于其左右孩子节点的值。  
即，根节点是堆中最大的值，按照层序遍历给节点从1开始编号，则节点之间满足如下关系：

(1<=i<=n/2)

![20190709151002337.gif][]

![20190709151018763.gif][]

![20190709151207169.gif][]

#### 6.3 核心代码（函数） ####

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDI5NDI1Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

#### 注意！！！数组从1开始，1~n ####

void heapSort(int array[], int n)
    {
        int i;
        for (i=n/2;i>0;i--)
        {
            HeapAdjust(array,i,n);//从下向上，从右向左调整
        }
        for( i=n;i>1;i--)
        {
            swap(array, 1, i);
            HeapAdjust(array, 1, i-1);//从上到下，从左向右调整
        }
    }
    void HeapAdjust(int array[], int s, int n )
    {
        int i,temp;
        temp = array[s];
        for(i=2*s;i<=n;i*=2)
        {
            if(i<n&&array[i]<array[i+1])
            {
                i++;
            }
            if(temp>=array[i])
            {
                break;
            }
            array[s]=array[i];
            s=i;
        }
        array[s]=temp;
    }
    void swap(int array[], int i, int j)
    {
        int temp;
    
        temp=array[i];
        array[i]=array[j];
        array[j]=temp;
    }

#### 7 希尔排序 ####

#### 7.1 过程 ####

希尔排序是插入排序改良的算法，希尔排序步长从大到小调整，第一次循环后面元素逐个和前面元素按间隔步长进行比较并交换，直至步长为1，步长选择是关键。

#### 7.2 动图 ####

![20190709151812160.gif][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDI5NDI1Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

#### 7.3 核心程序（函数） ####

//下面是插入排序
    void InsertSort( int array[], int n)
    {
        int i,j,temp;
        for( i=0;i<n;i++ )
        {
            if(array[i]<array[i-1])
            {
                temp=array[i];
                for( j=i-1;array[j]>temp;j--)
                {
                    array[j+1]=array[j];
                }
                array[j+1]=temp;
            }
        }
    }
    //在插入排序基础上修改得到希尔排序
    void SheelSort( int array[], int n)
    {
        int i,j,temp;
        int gap=n; //~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
        do{
            gap=gap/3+1;  //~~~~~~~~~~~~~~~~~~
            for( i=gap;i<n;i++ )
            {
                if(array[i]<array[i-gap])
                {
                    temp=array[i];
                    for( j=i-gap;array[j]>temp;j-=gap)
                    {
                        array[j+gap]=array[j];
                    }
                    array[j+gap]=temp;
                }
            }
        }while(gap>1);  //~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
    
    }

#### 8 桶排序（基数排序和基数排序的思想） ####

8.1 过程

桶排序是计数排序的变种，把计数排序中相邻的m个”小桶”放到一个”大桶”中，在分完桶后，对每个桶进行排序（一般用快排），然后合并成最后的结果。

8.2 图解

####  ####

8.3 核心程序

#include <stdio.h>
    int main()
    {
        int a[11],i,j,t;
        for(i=0;i<=10;i++)
            a[i]=0;  //初始化为0
    
        for(i=1;i<=5;i++)  //循环读入5个数
        {
            scanf("%d",&t);  //把每一个数读到变量t中
            a[t]++;  //进行计数(核心行)
        }
    
        for(i=0;i<=10;i++)  //依次判断a[0]~a[10]
            for(j=1;j<=a[i];j++)  //出现了几次就打印几次
                printf("%d ",i);
    
        getchar();getchar(); 
        //这里的getchar();用来暂停程序，以便查看程序输出的内容
        //也可以用system("pause");等来代替
        return 0;
    }

#### 9 计数排序   9.1 过程 ####

算法的步骤如下：  
\- 找出待排序的数组中最大和最小的元素  
\- 统计数组中每个值为i的元素出现的次数，存入数组C的第i项  
\- 对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）  
\- 反向填充目标数组：将每个元素i放在新数组的第C(i)项，每放一个元素就将C(i)减去1

#### 9.2 图解    ####

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDI5NDI1Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

#### 9.3 核心程序（函数） ####

程序1：
    #define NUM_RANGE (100)    //预定义数据范围上限，即K的值
    
    void counting_sort(int *ini_arr, int *sorted_arr, int n)  //所需空间为 2*n+k
    {  
           int *count_arr = (int *)malloc(sizeof(int) * NUM_RANGE);  
           int i, j, k;  
    
           //初始化统计数组元素为值为零 
           for(k=0; k<NUM_RANGE; k++){  
                   count_arr[k] = 0;  
           }  
           //统计数组中，每个元素出现的次数    
           for(i=0; i<n; i++){  
                   count_arr[ini_arr[i]]++;  
           }  
    
           //统计数组计数，每项存前N项和，这实质为排序过程
           for(k=1; k<NUM_RANGE; k++){  
                   count_arr[k] += count_arr[k-1];  
           }  
    
           //将计数排序结果转化为数组元素的真实排序结果
           for(j=n-1 ; j>=0; j--){  
               int elem = ini_arr[j];          //取待排序元素
               int index = count_arr[elem]-1;  //待排序元素在有序数组中的序号
               sorted_arr[index] = elem;       //将待排序元素存入结果数组中
               count_arr[elem]--;              //修正排序结果，其实是针对算得元素的修正
           }  
           free(count_arr);  
    }  
    
    程序2：C++(最大最小压缩桶数)
    public static void countSort(int[] arr) {
            if (arr == null || arr.length < 2) {
                return;
            }
            int min = arr[0];
            int max = arr[0];
            for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
                min = Math.min(arr[i], min);
                max = Math.max(arr[i], max);
            }
            int[] countArr = new int[max - min + 1];
            for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                countArr[arr[i] - min]++;
            }
            int index = 0;
            for (int i = 0; i < countArr.length; i++) {
                while (countArr[i]-- > 0) {
                    arr[index++] = i + min;
            }
    }

#### 10 基数排序   10.1 过程 ####

基数排序是基于数据位数的一种排序算法。  
它有两种算法  
①LSD–Least Significant Digit first 从低位（个位）向高位排。  
②MSD– Most Significant Digit first 从高位向低位（个位）排。  
时间复杂度O(N\*最大位数)。  
空间复杂度O(N)。

####    10.2 图解    ####

![20190709152711490.jpeg][]

对a\[n\]按照个位0~9进行桶排序：

![20190709152846815.jpeg][]

对b\[n\]进行累加得到c\[n\]，用于b\[n\]中重复元素计数  
！！！b\[n\]中的元素为temp中的位置！！！跳跃的用++补上：

![20190709152923970.jpeg][]

temp数组为排序后的数组，写回a\[n\]。temp为按顺序倒出桶中的数据（联合b\[n\],c\[n\],a\[n\]得到），重复元素按顺序输出：

![20190709152957246.jpeg][]

#### 10.3 核心程序 ####

//基数排序  
    //LSD  先以低位排，再以高位排  
    //MSD  先以高位排，再以低位排  
    void LSDSort(int *a, int n)  
    {  
        assert(a);  //判断a是否为空，也可以a为空||n<2返回
        int digit = 0;   //最大位数初始化
        for (int i = 0; i < n; ++i)  
        {   //求最大位数
            while (a[i] > (pow(10,digit)))  //pow函数要包含头文件math.h，pow(10,digit)=10^digit
            {  
                digit++;  
            }  
        }  
        int flag = 1;   //位数
        for (int j = 1; j <= digit; ++j)  
        {  
            //建立数组统计每个位出现数据次数（Digit[n]为桶排序b[n]）  
            int Digit[10] = { 0 };  
            for (int i = 0; i < n; ++i)  
            {  
                Digit[(a[i] / flag)%10]++;  //flag=1时为按个位桶排序
            }  
             //建立数组统计起始下标（BeginIndex[n]为个数累加c[n]，用于记录重复元素位置
             //flag=1时，下标代表个位数值，数值代表位置，跳跃代表重复）
            int BeginIndex[10] = { 0 };  
            for (int i = 1; i < 10; ++i)  
            {  
                //累加个数
                BeginIndex[i] = BeginIndex[i - 1] + Digit[i - 1];  
            }  
            //建立辅助空间进行排序 
            //下面两条可以用calloc函数实现
            int *tmp = new int[n];  
            memset(tmp, 0, sizeof(int)*n);//初始化  
            //联合各数组求排序后的位置存在temp中
            for (int i = 0; i < n; ++i)  
            {  
                int index = (a[i] / flag)%10;  //桶排序和位置数组中的下标
                //计算temp相应位置对应a[i]中的元素，++为BeginIndex数组数值加1
                //跳跃间隔用++来补，先用再++
                tmp[BeginIndex[index]++] = a[i];  
            }  
            //将数据重新写回原空间  
            for (int i = 0; i < n; ++i)  
            {  
                a[i] = tmp[i];  
            }  
            flag = flag * 10;  
            delete[] tmp;  
        }  
    }

## 附： ##

#### 1 完整程序框架（冒泡排序举例） ####

1.1 VS2010程序

#include "stdafx.h"
    #include "stdio.h"
    #include <stdlib.h>
    
    void BubbleSort(int array[], int n){
        int i,j,k,count1=0, count2=0;
        for(i=0; i<n-1; i++)
            for(j=n-1; j>i; j--)
            {
                count1++;
                if(array[j-1]>array[j])
                {
                    count2++;
                    k=array[j-1];
                    array[j-1]=array[j];
                    array[j]=k;
                }
            }
        printf("总共的循环次序为：%d,  总共的交换次序为：%d\n\n", count1, count2);
    }
    
    
    int main(int argc, _TCHAR* argv[])
    {
        int as[]={0,1,2,3,4,6,8,5,9,7};
        BubbleSort(as, 10);
        for(int i=0; i<10; i++)
        {
            printf("%d", as[i]);
        }
        printf("\n\n");
        system("pause");
        return 0;
    }

1.2 执行程序（OJ）

#include <stdio.h>
    
    void BubbleSort(int array[], int n){
        int i,j,k,count1=0, count2=0;
        for(i=0; i<n-1; i++)
            for(j=n-1; j>i; j--)
            {
                count1++;
                if(array[j-1]>array[j])
                {
                    count2++;
                    k=array[j-1];
                    array[j-1]=array[j];
                    array[j]=k;
                }
            }
        printf("总共的循环次序为：%d,  总共的交换次序为：%d\n\n", count1, count2);
    }
    
    int main()
    {
        int as[]={0,1,2,3,4,6,8,5,9,7};
        BubbleSort(as, 10);
        int i=0;
        for(i=0; i<10; i++)
        {
            printf("%d", as[i]);
        }
        return 0;
    }

#### 2 关于交换的优化 ####

不用中间变量进行交换

if(A[j] <= A[i]){
        A[j] = A[j] + A[i];
        A[i] = A[j] - A[i];
        A[j] = A[j] - A[i];
    }

#### 3 C语言实现数组动态输入 ####

#include <stdio.h>  
    #include <assert.h>  //断言头文件
    #include <stdlib.h>  
    
    int main(int argc, char const *argv[])  
    {  
        int size = 0;  
        scanf("%d", &size);   //首先输入数组个数
        assert(size > 0);     //判断数组个数是否非法
    
        int *array = (int *)calloc(size, sizeof(int));  //动态分配数组
        if(!R1)  
        {  
            return;           //申请空间失败  
        }  
    
        int i = 0;  
        for (i = 0; i < size; ++i) {  
            scanf("%d", &array[i]);  
        }  
    
        mergeSort(array, size);  
        printArray(array, size);  
    
        free(array);  
        return 0;  
    }

本文是从大佬 的排序算法时间复杂度、空间复杂度、稳定性比较[https://blog.csdn.net/yushiyi6453/article/details/76407640][https_blog.csdn.net_yushiyi6453_article_details_76407640]

动图理解

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