排序算法原理汇总

概述

排序有内部排序和外部排序,内部排序是数据记录在内存中进行排序,而外部排序是因排序的数据很大,一次不能容纳全部的排序记录,在排序过程中需要访问外存。
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当n较大,则应采用时间复杂度为O(nlog2n)的排序方法:快速排序、堆排序或归并排序。
快速排序:是目前基于比较的内部排序中被认为是最好的方法,当待排序的关键字是随机分布时,快速排序的平均时间最短;

1、冒泡排序

最简单的一种排序算法。假设长度为n的数组arr,要按照从小到大排序。则冒泡排序的具体过程可以描述为:首先从数组的第一个元素开始到数组最后一个元素为止,对数组中相邻的两个元素进行比较,如果位于数组左端的元素大于数组右端的元素,则交换这两个元素在数组中的位置,此时数组最右端的元素即为该数组中所有元素的最大值。接着对该数组剩下的n-1个元素进行冒泡排序,直到整个数组有序排列。算法的时间复杂度为O(n^2)。

2. 选择排序—简单选择排序(Simple Selection Sort)

基本思想:

在要排序的一组数中,选出最小(或者最大)的一个数与第1个位置的数交换;然后在剩下的数当中再找最小(或者最大)的与第2个位置的数交换,依次类推,直到第n-1个元素(倒数第二个数)和第n个元素(最后一个数)比较为止。

简单选择排序的示例:
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操作方法:

第一趟,从n 个记录中找出关键码最小的记录与第一个记录交换;

第二趟,从第二个记录开始的n-1 个记录中再选出关键码最小的记录与第二个记录交换;

以此类推.....

第i 趟,则从第i 个记录开始的n-i+1 个记录中选出关键码最小的记录与第i 个记录交换,

直到整个序列按关键码有序。

3、插入排序

插入排序的基本思想就是将无序序列插入到有序序列中。例如要将数组arr=[4,2,8,0,5,1]排序,可以将4看做是一个有序序列(图中用蓝色标出),将[2,8,0,5,1]看做一个无序序列。无序序列中2比4小,于是将2插入到4的左边,此时有序序列变成了[2,4],无序序列变成了[8,0,5,1]。无序序列中8比4大,于是将8插入到4的右边,有序序列变成了[2,4,8],无序序列变成了[0,5,1]。以此类推,最终数组按照从小到大排序。该算法的时间复杂度为O(n^2)。
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4、希尔排序

希尔排序(Shell’s Sort)在插入排序算法的基础上进行了改进,算法的时间复杂度与前面几种算法相比有较大的改进。其算法的基本思想是:先将待排记录序列分割成为若干子序列分别进行插入排序,待整个序列中的记录"基本有序"时,再对全体记录进行一次直接插入排序。
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5. 交换排序—快速排序(Quick Sort)

基本思想:

1)选择一个基准元素,通常选择第一个元素或者最后一个元素,

2)通过一趟排序讲待排序的记录分割成独立的两部分,其中一部分记录的元素值均比基准元素值小。另一部分记录的 元素值比基准值大。

3)此时基准元素在其排好序后的正确位置

4)然后分别对这两部分记录用同样的方法继续进行排序,直到整个序列有序。

6、归并排序

“归并”的含义是将两个或两个以上的有序序列组合成一个新的有序表。假设初始序列含有n个记录,则可以看成是n个有序的子序列,每个子序列的长度为1,然后两两归并,得到(表示不小于x的最小整数)个长度为2(或者是1)的有序子序列,再两两归并。如此重复,直到得到一个长度为n的有序序列为止。这种排序方法称为2-路归并排序。
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7.堆排序

堆排序是利用堆这种数据结构而设计的一种排序算法,堆排序是一种选择排序,它的最坏,最好,平均时间复杂度均为O(nlogn),它也是不稳定排序。首先简单了解下堆结构。

堆是具有以下性质的完全二叉树:每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值,称为大顶堆;或者每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值,称为小顶堆。如下图:
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同时,我们对堆中的结点按层进行编号,将这种逻辑结构映射到数组中就是下面这个样子
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堆排序的基本思想是:将待排序序列构造成一个大顶堆,此时,整个序列的最大值就是堆顶的根节点。将其与末尾元素进行交换,此时末尾就为最大值。然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆,这样会得到n个元素的次小值。如此反复执行,便能得到一个有序序列了

步骤一 构造初始堆。将给定无序序列构造成一个大顶堆(一般升序采用大顶堆,降序采用小顶堆)。
步骤二 将堆顶元素与末尾元素进行交换,使末尾元素最大。然后继续调整堆,再将堆顶元素与末尾元素交换,得到第二大元素。如此反复进行交换、重建、交换。

再简单总结下堆排序的基本思路:

a.将无需序列构建成一个堆,根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆;

b.将堆顶元素与末尾元素交换,将最大元素"沉"到数组末端;

c.重新调整结构,使其满足堆定义,然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素,反复执行调整+交换步骤,直到整个序列有序。

总结

各种排序的稳定性,时间复杂度和空间复杂度总结:

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