数据结构——排序算法之快速排序

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前言：

快速排序是Hoare于1962年提出的一种二叉树结构的交换排序方法。

基本思想：

任取待排序元素序列中的某元素作为基准值，按照该排序码将待排序集合分割成两子序列，左子序列中所有元素均小于基准值，右子序列中所有元素均大于基准值，然后最左右子序列重复该过程，直到所有元素都排列在相应位置上为止。

递归实现方式常见有三种，区别于单趟思想，性能差别不大，下面我们看下快排递归实现。

一、快速排序的递归实现

1.1 Hoare排序

1.1.1 单趟目的

左子序列中所有元素均小于基准值key，右子序列中所有元素均大于基准值key。

1.1.2 动图解析

单趟思路：

（1）首先记录下keyi位置为最左边位置，然后left和right分别从数组两端开始往中间走。
（2）right先开始向中间行动，如果right处的值小于keyi处的值，则停止等待left走。
（3）left开始行动，当left找到比keyi处小的值时，left和right处的值进行交换。
（4）当两个位置相遇时，将相遇位置的值与keyi处的值进行交换。

该排序有一个需要注意的点是：必须左边先走找小

因为左边先走，必定相遇时位置对应的值小于keyi位置值，保证最后这俩个位置交换，相遇位置即是keyi位置对应值最终位置。

解析：

（1）右边先走，假设left遇到right,最后相遇情况是right找到了小于keyi位置的值，left没有找到大于keyi位置值，所以相遇位置值小于keyi位置值。

（2）右边先走，假设right遇到left,最后相遇情况是left找到大，right找到小，left与right互换，left位置对应值小于keyi位置值，right继续找小，与left相遇，所以相遇位置值小于keyi位置值。

1.1.3 代码实现

解析：

该代码将单趟写在子函数中，这样使得整个代码层次更加清晰，也便于理解。可以发现我们对单趟中keyi做了优化，因为keyi的位置，是影响快速排序效率的重大因素。因此我们采用了三数取中的方法解决选keyi不合适的问题。即知道这组无序数列的首和尾后，我们只需要在首，中，尾这三个数据中，选择一个排在中间的数据作为基准值(keyi)，进行快速排序，即可进一步提高快速排序的效率。

后面2种单趟也做这样的优化，后面就不过多介绍。

//Hoare快排
int GetMid(int* a, int begin, int end)
{int mid = (begin + end) / 2;if (a[begin] > a[end]){if (a[end] > a[mid]){return end;}else{if (a[begin] > a[mid]){return mid;}else{return begin;}}}else//(a[begin]<= a[end]){if (a[begin] > a[mid]){return begin;}else{if (a[end] > a[mid]){return mid;}else{return end;}}}
}
void swap(int* x, int* y)
{int z = *x;*x = *y;*y = z;
}
int  _QuickSort_Hoare(int* a, int begin, int end)
{int mid = GetMid(a,begin, end);swap(&a[begin], &a[mid]);int keyi = begin;int left = begin;int right = end;while (left < right){//右边找小while (left < right && a[right] >= a[keyi]){right--;}//左边找大while (left < right && a[left] <= a[keyi]){left++;}swap(&a[left], &a[right]);}swap(&a[keyi], &a[left]);return left;}
void  QuickSort_Hoare(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end){return;}int keyi= _QuickSort_Hoare(a, begin, end);//单趟//递归  [begin,keyi-1] keyi,[keyi+1,end]QuickSort_Hoare(a, begin, keyi - 1);QuickSort_Hoare(a, keyi+1, end);}

1.2 挖坑法

1.2.1 单趟目的

左子序列中所有元素均小于基准值key，右子序列中所有元素均大于基准值key。

1.2.2 动图解析

单趟思路：

（1）将begin处的值放到key中，将其置为坑位(pit)
（2）right找到比key小的值后将值放入坑位，然后将此处置为新的坑。
(3) left找到比key大的值后将值放入坑位，然后将此处置为新的坑。
(4）当left与right相遇的时候，将key放入到坑位中。

1.2.3 代码实现

int GetMid(int* a, int begin, int end)
{int mid = (begin + end) / 2;if (a[begin] > a[end]){if (a[end] > a[mid]){return end;}else{if (a[begin] > a[mid]){return mid;}else{return begin;}}}else//(a[begin]<= a[end]){if (a[begin] > a[mid]){return begin;}else{if (a[end] > a[mid]){return mid;}else{return end;}}}
}
void swap(int* x, int* y)
{int z = *x;*x = *y;*y = z;
}
int  _QuickSort_Pit(int* a, int begin, int end)
{int mid = GetMid(a, begin, end);swap(&a[begin], &a[mid]);int pit = begin;int  key = a[begin];int left = begin;int right = end;while (left < right){while (left < right && a[right] >= key){right--;}a[pit] = a[right];pit = right;while(left < right&& a[left] <= key){left++;}a[pit] = a[left];pit = left;}a[left] = key;return left;}
void  QuickSort_Pit(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end){return;}int keyi = _QuickSort_Pit(a, begin, end);//[begin,keyi-1],keyi,[keyi+1,end]QuickSort_Pit(a, begin, keyi - 1);QuickSort_Pit(a, keyi + 1, end);}

1.3 双指针法

1.3.1 单趟目的

左子序列中所有元素均小于基准值key，右子序列中所有元素均大于基准值key。

1.3.2 动图解析

单趟思路：

(1)cur位于begin+1的位置，prev位于begin位置，keyi先存放begin处的值。
(2)如果cur处的值大于key处的值，cur++.
(3)如果cur处的值小于等于key处的值，cur处的值，则与prev+1处的值进行交换。
(4)当循环结束时，将prev处的值与keyi的值相交换，返回prev

1.3.3 代码实现

int GetMid(int* a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[end])
{if (a[end] > a[mid]){return end;}else{if (a[begin] > a[mid]){return mid;}else{return begin;}}
}
else//(a[begin]<= a[end])
{if (a[begin] > a[mid]){return begin;}else{if (a[end] > a[mid]){return mid;}else{return end;}}
}
}
void swap(int* x, int* y)
{int z = *x;*x = *y;*y = z;
}
int  _QuickSort_Pointer(int* a, int begin, int end)
{int mid = GetMid(a, begin, end);swap(&a[begin], &a[mid]);int key = begin;int prev= begin;int cur = prev + 1;while (cur <= end){if (a[cur] > a[key]){cur++;}else{prev++;swap(&a[prev], &a[cur]);cur++;}}swap(&a[key], &a[prev]);return prev;}
void  QuickSort_Pointer(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end){return;}int keyi = _QuickSort_Pointer(a, begin, end);//[begin,keyi-1],keyi,[keyi+1,end]QuickSort_Pointer(a, begin, keyi - 1);QuickSort_Pointer(a, keyi + 1, end);}

二、快速排序的优化

2.1 三数取中法选key

这个方法提升效率比较显著，上面已经排序均用该方法优化。

2.2 递归到小的子区间，使用插入排序

由于快速排序是递归进行的，当递归到最后三层时，此时数组中的值其实已经接近有序，而且这段区间再递归会极大占用栈(函数栈帧开辟的地方)的空间,最后三层的递归次数占总递归次数的百分之90，所以在区间数据量小于10，我们就不进行递归快速排序了，转而使用插入排序。

int GetMid(int* a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[end])
{if (a[end] > a[mid]){return end;}else{if (a[begin] > a[mid]){return mid;}else{return begin;}}
}
else//(a[begin]<= a[end])
{if (a[begin] > a[mid]){return begin;}else{if (a[end] > a[mid]){return mid;}else{return end;}}
}
}
void swap(int* x, int* y)
{int z = *x;*x = *y;*y = z;
}
int  _QuickSort_Pointer(int* a, int begin, int end)
{int mid = GetMid(a, begin, end);swap(&a[begin], &a[mid]);int key = begin;int prev= begin;int cur = prev + 1;while (cur <= end){if (a[cur] > a[key]){cur++;}else{prev++;swap(&a[prev], &a[cur]);cur++;}}swap(&a[key], &a[prev]);return prev;}
void  QuickSort_Pointer(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end){return;}if(end-begin+1>10)
{
int keyi = _QuickSort_Pointer(a, begin, end);//[begin,keyi-1],keyi,[keyi+1,end]QuickSort_Pointer(a, begin, keyi - 1);QuickSort_Pointer(a, keyi + 1, end);
}
else
{
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}}

三、快速排序的非递归实现

递归改为非递归，一般2种方法：

1、递归转化为非递归可以写成循环，比如斐波那契数列

2、递归转化为非递归可以写成栈，比如现在的快排

递归使用的空间是栈空间，所以容易出现栈溢出的情况，我们将快速排序改为非递归版本，这样空间的开辟就在堆上了，这样也就解决了这个问题。

快速排序的非递归与递归思想相同，非递归使用栈来模拟递归的实现，思路如下：

（1）入栈一定要保证先入左再入右。
（2）取出两次栈顶的元素，然后进行单趟排序

（3）将区间分为[left , keyi - 1] ，keyi ，[ keyi + 1 , right ] 进行右、左入栈。若区间不存在或为1个值则不入栈。
（4）循环2、3步骤直到栈为空。

代码实现：

int GetMid(int* a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[end])
{if (a[end] > a[mid]){return end;}else{if (a[begin] > a[mid]){return mid;}else{return begin;}}
}
else//(a[begin]<= a[end])
{if (a[begin] > a[mid]){return begin;}else{if (a[end] > a[mid]){return mid;}else{return end;}}
}
}
void swap(int* x, int* y)
{int z = *x;*x = *y;*y = z;
}
int  _QuickSort_Pointer(int* a, int begin, int end)
{int mid = GetMid(a, begin, end);swap(&a[begin], &a[mid]);int key = begin;int prev= begin;int cur = prev + 1;while (cur <= end){if (a[cur] > a[key]){cur++;}else{prev++;swap(&a[prev], &a[cur]);cur++;}}swap(&a[key], &a[prev]);return prev;}typedef int DateType;
typedef struct Stack
{DateType* a;int top;int capacity;
}Stack;
//初始化和销毁栈
void InitStack(Stack* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}
void DestoryStack(Stack* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = 0;ps->capacity = 0;
}//出栈和入栈
void StackPush(Stack* ps, DateType x)
{assert(ps);if (ps->top == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;DateType* tmp = (DateType*)realloc(ps->a, sizeof(DateType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail:");return;}ps->a = tmp;ps->capacity = newcapacity;}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;
}
void StackPop(Stack* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);ps->top--;
}//栈的有效个数和栈顶元素
int StackSize(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}
DateType StackTop(Stack* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);return   ps->a[ps->top - 1];
}
//判空
bool IsEmptyStack(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}
void  QuickSort_Non_r(int* a, int begin, int end)
{Stack tmp;InitStack(&tmp);StackPush(&tmp,end);StackPush(&tmp, begin);while (!IsEmptyStack(&tmp)){int left = StackTop(&tmp);StackPop(&tmp);int right = StackTop(&tmp);StackPop(&tmp);int keyi = _QuickSort_Pointer(a, left, right);if (keyi+1 <right){StackPush(&tmp,right);StackPush(&tmp,keyi+1);}if (left < keyi - 1){StackPush(&tmp, keyi-1);StackPush(&tmp,left);}}DestoryStack(&tmp);}

总结：本篇文章总结了快速排序的递归及非递归俩大种方式。

希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言，百题一定会认真阅读！