【CS.AL】八大排序算法 —— 快速排序全揭秘：从基础到优化

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文章目录

    • 1. 快速排序简介
      • 1.1 定义
      • 1.2 时间复杂度
      • 1.3 相关资源
    • 2. 最优的Partition算法 🔥
      • 2.1 Introsort简介
      • 2.2 过程示例
    • 3. 非递归快速排序
      • 3.1 实现
    • 4. 递归快速排序
      • 4.1 实现
    • 5. 有问题的Partition
      • 5.1 实现
    • 6. 三中位数主元选择
      • 6.1 实现
    • 7. 总结

1. 快速排序简介

1.1 定义

快速排序：快速排序也采用分治策略，选择一个基准元素，将数组分成比基准小和比基准大的两部分，再对两部分递归地进行排序。快速排序的平均时间复杂度为O(n log n)，是目前应用广泛的排序算法之一。

1.2 时间复杂度

  • 最坏情况：O(n²)
  • 平均情况：O(n log₂n)
  • 最佳情况：O(n log₂n)

1.3 相关资源

912. 排序数组 - 力扣（LeetCode）

2. 最优的Partition算法 🔥

2.1 Introsort简介

Introsort（内排序）从快速排序开始作为主要排序算法。在最坏情况下（例如，数组已经排序或接近排序），快速排序可能退化为O(n²)时间复杂度。为了避免快速排序的最坏情况，Introsort引入了一个最大递归深度。当递归深度超过这个阈值时，算法切换到堆排序或归并排序，以确保更好的最坏情况性能。

template <typename Tp>
int partition(vector<Tp>& nums, int lIdx, int rIdx) {int randomIndex = lIdx + rand() % (rIdx - lIdx + 1);std::swap(nums[randomIndex], nums[rIdx]);Tp pivot = nums[rIdx];int lBoundary = lIdx;int rBoundary = rIdx - 1;for(; ; ++lBoundary, --rBoundary){for (; lBoundary <= rBoundary && nums[lBoundary] < pivot; ++lBoundary) {}for (; lBoundary <= rBoundary && nums[rBoundary] > pivot; --rBoundary) {}if (lBoundary > rBoundary) {break;}std::swap(nums[lBoundary], nums[rBoundary]);}std::swap(nums[rIdx], nums[lBoundary]);return lBoundary;
}

2.2 过程示例

  • 假设 nums = [7, 3, 5, 1, 2, 6, 4]，随机选择的pivot下标为5，即6与最右的4交换，得到 nums = [7, 3, 5, 1, 2, 4, 6]。
  • 分区指针起始如图：left (lIdx) -> 7, 3, 5, 1, 2, 4 <- right (rIdx), 6(pivot)。
  • 左指针移动到第一个大于或等于主元的元素(即7)，右指针移动到第一个小于或等于主元的元素(为4)：left (lIdx) -> 7, 3, 5, 1, 2, 4 <- right (rIdx), 6(pivot)。
  • 交换左右指针处的元素：left (lIdx) -> 4, 3, 5, 1, 2, 7 <- right (rIdx), 6(pivot)。
  • 继续该过程，直到左右指针相遇：4, 3, 5, 1, 2 <- right (rIdx), left (lIdx) -> 7, 6(pivot)。
  • 将枢轴元素（当前位于右指针处）与左指针处的元素交换（6和7交换）。

3. 非递归快速排序

3.1 实现

template <typename Tp>
void quickSort(vector<Tp>& nums) {std::stack<std::pair<int, int>> stack;stack.push(std::make_pair(0, nums.size() - 1));while (!stack.empty()) {std::pair<int, int> current = stack.top();stack.pop();int lIdx = current.first;int rIdx = current.second;if (lIdx < rIdx) {int boundary = partition(nums, lIdx, rIdx);stack.push(std::make_pair(lIdx, boundary - 1));stack.push(std::make_pair(boundary + 1, rIdx));}}
}

4. 递归快速排序

4.1 实现

template <typename Tp>
void qSortRecursion(vector<Tp>& nums, const int& lIdx, const int& rIdx) {if (lIdx < rIdx) {int boundary = partition(nums, lIdx, rIdx);qSortRecursion(nums, lIdx, boundary - 1);qSortRecursion(nums, boundary + 1, rIdx);}
}template <typename Tp>
void quickSort(vector<Tp>& nums) {qSortRecursion(nums, 0, nums.size() - 1);
}

5. 有问题的Partition

5.1 实现

大量重复元素会超时:

template <typename Tp>
int partition(vector<Tp>& nums, int lIdx, int rIdx) {// 较为有序时, 避免超时int randIdx = lIdx + rand() % (rIdx - lIdx + 1);std::swap(nums[randIdx], nums[rIdx]);int pivot = nums[rIdx];int boundary = lIdx;for (int idx = lIdx; idx < rIdx; ++idx) {if (nums[idx] < pivot) {std::swap(nums[idx], nums[boundary]);++boundary;}}std::swap(nums[boundary], nums[rIdx]); // pivotreturn boundary;
}

通过内排序Introsort修复:

template <typename Tp>
void quickSort(vector<Tp>& nums) {double recThreshold = log10(nums.size()) / log10(2);int recDepth = 0;std::stack<std::pair<int, int>> stack;stack.push(std::make_pair(0, nums.size() - 1));while (!stack.empty()) {++recDepth;if (recDepth >= recThreshold) {heapSort(nums);break;}std::pair<int, int> current = stack.top();stack.pop();int lIdx = current.first;int rIdx = current.second;if (lIdx < rIdx) {int boundary = partition(nums, lIdx, rIdx);stack.push(std::make_pair(lIdx, boundary - 1));stack.push(std::make_pair(boundary + 1, rIdx));}}
}

6. 三中位数主元选择

6.1 实现

template <typename Tp>
int choosePivot(vector<Tp>& nums, int lIdx, int rIdx) {int mid = lIdx + (rIdx - lIdx) / 2;if (nums[lIdx] > nums[mid]) {std::swap(nums[lIdx], nums[mid]);}if (nums[mid] > nums[rIdx]) {std::swap(nums[mid], nums[rIdx]);}if (nums[lIdx] > nums[mid]) {std::swap(nums[lIdx], nums[mid]);}return mid;
}template <typename Tp>
int partition(vector<Tp>& nums, int lIdx, int rIdx) {int pivotIdx = choosePivot(nums, lIdx, rIdx);std::swap(nums[pivotIdx], nums[rIdx]);Tp pivot = nums[rIdx];int lBoundary = lIdx;int rBoundary = rIdx - 1;for(; ; ++lBoundary, --rBoundary){for (; lBoundary <= rBoundary && nums[lBoundary] < pivot; ++lBoundary) {}for (; lBoundary <= rBoundary && nums[rBoundary] > pivot; --rBoundary) {}if (lBoundary > rBoundary) {break;}std::swap(nums[lBoundary], nums[rBoundary]);}std::swap(nums[rIdx], nums[lBoundary]);return lBoundary;
}

7. 总结

快速排序作为一种现代化的排序算法，通过分治策略和递归实现，高效地解决了大多数排序问题。使用最优的Partition算法和三中位数主元选择可以有效优化快速排序的性能，并避免最坏情况的出现。

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