数据结构与算法：快速排序

数据结构与算法：快速排序

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      • 荷兰国旗问题
      • 霍尔版本
      • 递归优化
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      • PartSort优化
          • 三数取中
        • 挖坑法
        • 前后指针法
      • 非递归法

快速排序

荷兰国旗问题

想要理解快速排序，就先理解这个问题：

在这里插入图片描述
[LeetCode75.颜色分类]

荷兰国旗是由红白蓝三色组成的：
在这里插入图片描述
现在将其颜色打乱
在这里插入图片描述
然后根据一定的算法，将其复原为红白蓝三色，这就叫做荷兰国旗问题。

在LeetCode的题目中，其将荷兰国旗的三个颜色用0，1，2来表达，也就是说我们要把大于1的放到1的右边，小于1的放到1的左边，这就是解决这个问题的基本思路。

快排的基本思路也是如此：在一趟排序中，将一个值作为key值，然后将大于这个key值的数放到右边，小于key的放到key的左边。

比如这样个数组
在这里插入图片描述
假设我们将第一个值作为key值，那么高于这个红线的值都要到右边作为大于区，低于这个红线的值都要到左边作为小于区，然后再把key放到大于区和小于区的中间。

比如这样：
在这里插入图片描述

然后再把key值插入到中间：
在这里插入图片描述
这样左边的值都小于key，右边的值都大于key。

那么这要如何实现呢？我们先看到最古早的快速排序–霍尔版本

霍尔版本

我们的目的是：把大于key的值放到右边，小于key的值放到左边。

此时霍尔想到，安排两个变量left与right，左边的变量left往右寻找大于这个key的值，右边的变量right往左寻找小于这个key的值，一旦left和right都找了值，交换left与right的值。
示例：
一开始选定第一个值作为key值：
在这里插入图片描述
然后i变量往右移动，直到找到一个值大于key：
在这里插入图片描述
接着right往左移动，找到一个值小于key：
在这里插入图片描述
交换两个值：
在这里插入图片描述
循环以上步骤：
请添加图片描述
当我们完成这个过程后，数组状态如下：
在这里插入图片描述

红色区域是小于区，绿色区域是大于区。
接下来就是要把key放到小于区和大于区的中间，这个过程，只需要将key与小于区的最后一个元素交换位置即可：

请添加图片描述
这样我们就完成了一趟排序。

一趟排序的代码如下：

	int left = 0, right = n;int keyi = 0;while (left < right){while (left < right && a[right] >= a[keyi]){right--;}while (left < right && a[left] <= a[keyi]){left++;}Swap(&a[left], &a[right]);}Swap(&a[left], &a[keyi]);

以下是对代码的解释：

  1. 初始化变量left和right，分别表示数组的左右边界。left初始为0，right初始为n，其中n表示数组长度。
  2. 初始化变量keyi，表示选取的基准元素的下标，初始为0。
  3. 进入循环，循环条件是left < right，即左边界小于右边界。
  4. 第一个while循环：从右边开始向左遍历数组a，寻找第一个小于基准元素a[keyi]的元素。循环条件是left < right并且a[right]大于等于a[keyi]，如果满足条件，说明当前元素不是要找的元素，则right减1，寻找下一个元素。
  5. 第二个while循环：从左边开始向右遍历数组a，寻找第一个大于基准元素a[keyi]的元素。循环条件是left < right并且a[left]小于等于a[keyi]，如果满足条件，说明当前元素不是要找的元素，则left加1,寻找下一个元素。
  6. 当两个while循环结束后，说明找到了需要交换的两个元素。调用Swap函数，将a[left]和a[right]交换位置。
  7. 继续下一轮循环，直到left >= right。
  8. 当循环结束，交换a[left]和a[keyi]，即把key值和小于区的最后一个元素交换位置，让key到达正确位置。

图示：
在这里插入图片描述
这个过程中，left左侧的值（紫色）都小于key，right右侧的值（绿色）都大于key，当相遇时，两者分别就维护了一段大于区和一段小于区，直接将key插入即可。

那么这一趟排序有什么用呢？虽然最后没有把整个数组变成有序，但是我们的key值找到了正确的位置。
也就是说，经过这一趟排序，key的位置此后都不会改变了，key的位置就是完全有序状态下的位置。

这是为什么？
不妨想想一个完全有序的数组，取其中某一个值出来，不就是左边的所有值都小于等于这个元素，右边所有值大于等于这个元素吗？

那么我们要如何进行接下来的步骤，让整个数组有序？
答案是递归。
经过这一趟排序，我们将数组拆分为了三个区域：[小于区]：[key]：[大于区]

接下来我们不断将小于区和大于区拆分出来执行这个过程：

1.选key
2.筛选新的小于区和大于区

在这里插入图片描述
当快速排序递归到底层时，每个子数组只含有一个元素或没有元素，这些子数组都可以看作是有序的。由于每次递归都确保了基准元素的左右两个部分分别有序，最终整个数组就会有序。

我们看一看快速排序的主体部分：

void QuickSort(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end)return;//单趟排序QuickSort(a, begin, keyi - 1);//递归小于区间QuickSort(a, keyi + 1, end);//递归大于区间
}

函数QuickSort接受一个整型数组a以及两个整数begin和end作为参数，表示对数组的子区间[begin, end]进行排序。如果begin >= end，即子区间为空或只有一个元素，那么不需要排序，直接返回。

在每次递归调用中，函数将主区间分为两个子区间：小于key的区间和大于key的区间。通过递归调用自身，对两个子区间进行排序。

通过递归调用QuickSort(a, begin, keyi - 1)，对小于关键字的区间进行排序。递归调用QuickSort(a, keyi + 1, end)对大于关键字的区间进行排序。

经过多次递归调用后，整个数组将被划分为若干个有序的子区间，最后合并起来得到整体有序的数组。

完整代码：

void QuickSort(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end)return;//单趟排序开始---------------------------------------int left = begin, right = end;int keyi = begin;while (left < right){while (left < right && a[right] >= a[keyi]){right--;}while (left < right && a[left] <= a[keyi]){left++;}Swap(&a[left], &a[right]);}Swap(&a[left], &a[keyi]);
//单趟排序结束---------------------------------------keyi = left;QuickSort(a, begin, keyi - 1);//递归小于区间QuickSort(a, keyi + 1, end);//递归大于区间
}

其中，我们将单趟排序称为PartSort，递归主体就是快排主体，我们会如下拆分代码：

int PartSort(int* a, int begin, int end)
{int left = begin, right = end;int keyi = begin;while (left < right){while (left < right && a[right] >= a[keyi]){right--;}while (left < right && a[left] <= a[keyi]){left++;}Swap(&a[left], &a[right]);}Swap(&a[left], &a[keyi]);keyi = left;return keyi;
}void QuickSort(int* a, int begin, int end)
{if (begin >= end)return;int keyi = PartSort(a, begin, end);QuickSort(a, begin, keyi - 1);//递归小于区间QuickSort(a, keyi + 1, end);//递归大于区间
}

总效果图：
请添加图片描述

至此，我就为大家解释完了快排的基本思想，但是快排至此还不是完全体，后人对快排做了非常多的优化，使得快排性能一步一步提高。

递归优化

小区间优化

快速排序是基于递归的排序，其递归是会向左右区间递归，那么就会形成一个二叉树的结构。而二叉树的最后一层的节点占比可以高达50%。

假设满二叉树的深度为h，那么最后一层的节点数目为2(h-1)个，而满二叉树的总节点数目为2h - 1个。

因此，最后一层占所有节点的百分比为： (2(h-1))/(2h - 1) * 100%。
当递归层数足够深，这个式子就可以看为： (2(h-1))/(2h ) * 100% = 50% 。

而当快速排序递归到最后一层，区间内只有一两个数字需要排序了，此时再递归是没必要的。我们可以选用其它的排序来进行最后几个数字的排序，这样可以大量节省递归的消耗，提高性能。

在此，我们可以利用begin和end的差值来控制递归，当其差值小于一定值时，我们改用插入排序来收尾。因为快速排序到了最后几层，递归出来的小数组已经十分接近有序，而插入排序对有序数组的适应性较好，所以这里选用插入排序。

代码如下：

void QuickSort(int* a, int begin, int end) 
{int THRESHOLD = 10; // 设定阈值为10 if (begin >= end) return; if (end - begin + 1 <= THRESHOLD){InsertSort(a, begin, end);// 使用插入排序对小区间进行排序}else{int keyi = PartSort(a, begin, end);QuickSort(a, begin, keyi - 1); // 递归小于区间QuickSort(a, keyi + 1, end); // 递归大于区间}
}

此处我们将阈值设为了10，也就是当递归划分数组的长度小于10时，就进行插入排序，这个阈值可以减少大约3-4层递归，最后一层递归就已经50%了，三四层递归可以节省80-90%的递归次数。

这个优化看似效率很高，但是其实现在的递归消耗并不高，哪怕节省了80-90%的递归次数，也许优化效果并没有那么好。

PartSort优化

三数取中

我们目前的快速排序仍然有一个缺点：对已经有序的数组适应性非常差。

比如这样一个数组：
在这里插入图片描述
我们对其进行快速排序，由于其已经有序，而我们每次选取key值又选的是第一个值，这就会导致一趟PartSort下来，小于区间为0，大于区间为n-1，接着我们递归到大于区间，不断循环上述过程：请添加图片描述
那么这样对于一个n个数字的数组，我们就需要递归n层。这样实在太浪费资源了。
我们是否有办法，减少在有序情况或者接近有序的情况的递归层数？

于是三数取中出现了，三数取中是指，每次选取key值时：

1.先挑出最左侧下标值，最右侧下标值以及中间下标值（依据下标选出三个值）
2.选取三个值中的中间值

那么为什么三数取中可以减少递归的层数？

我们看一个实例：
在这里插入图片描述
我先为大家解释此图：
每一层是一一层递归，红色值是本次递归的key值，蓝色是大于区，绿色是小于区。下一层递归是，蓝色区和绿色区分别递归，并重新筛选key值。

在选取第一个值作为key的图中，由于一直没有小于区出现，一次每层递归只能排序一次，而右侧由于选择了中间值作为key值，会尽可能保证大于区和小于区都存在，下一层递归就能处理更多的数据。

这样我们左侧递归了9层，而右侧只递归了4层。这就是三数取中带来的效率优化。一般来说，取第一个值最多需要递归n层，而三数取中一般为logn层。

我们先选一个三数取中的函数：

//三数取中
int GetMidi(int* a, int begin, int end)
{int midi = (begin + end) / 2;//选begin end midi 的中位数if (a[begin] < a[midi]){if (a[midi] < a[end])return midi;else if (a[begin] > a[end])return begin;elsereturn end;}else {if (a[end] < a[midi])return midi;else if (a[end] > a[begin])return begin;elsereturn end;}
}

这个函数就是实现三数取中：

1.先挑出最左侧下标值，最右侧下标值以及中间下标值（依据下标选出三个值）
2.选取三个值中的中间值

那么取出了中间值，要如何让快排将其作为key值？
我们先前的快排是把第一个值的位置作为key，如果取中间值作为key，那么这个值碍在中间，会不会影响left和right的移动判断？
所以我们选出中间数后，先将其与第一个值交换，把中间值放到第一个位置，防止它碍在中间。

代码如下：

//霍尔三数取中快排
int PartSort1(int* a, int begin, int end)
{int midi = GetMidi(a, begin, end);Swap(&a[midi], &a[begin]);//将取出的中间值放在首位做keyint left = begin, right = end;int keyi = begin;while (left < right){while (left < right && a[right] >= a[keyi]){right--;}while (left < right && a[left] <= a[keyi]){left++;}Swap(&a[left], &a[right]);}Swap(&a[left], &a[keyi]);keyi = left;return keyi;
}
挖坑法

挖坑法是对霍尔版本的优化，霍尔版本中我们利用了left与right分别找大找小，然后将left与right的值进行交换。到了最后再把key和小于区的最后一个值交换。

挖坑法的思路是：

  1. 一开始将key值的位置空出来作为坑位
  2. 右边right找小，找到后直接放到key的位置（坑位），然后将此位置作为坑位
  3. 左边left找大，找到后放到坑位（刚刚右边空出来的位置），然后将此位置作为坑位
  4. 循环2，3步骤，直到left与right相遇
  5. 相遇后，将key值放到相遇点

图解如下：

请添加图片描述

代码如下：

// 快速排序挖坑法
int PartSort2(int* a, int begin, int end)
{//三数取中int midi = GetMidi(a, begin, end);Swap(&a[midi], &a[begin]);int key = a[begin];int hole = begin;while (begin < end){//右边找小，填到右左边的坑while (begin < end && a[end] >= key){end--;}a[hole] = a[end];//填坑hole = end;//换坑//左边找大，填到右边的坑while (begin < end && a[begin] <= key){begin++;}a[hole] = a[begin];//填坑hole = begin;//换坑}a[hole] = key;return hole;
}

代码解析如下：

  1. 首先，通过调用GetMidi函数，找到数组a中的三个元素（起始索引begin、终止索引end以及中间索引midi）的中值，并将中值与起始索引的元素交换位置。这样做是为了通过将中值作为基准值，降低快速排序的时间复杂度。
  1. 定义变量key为基准值，hole为开始时的坑的位置（即起始索引begin）。
  1. 进入一个循环，循环条件是开始索引小于结束索引。
  1. 在循环中，先从右向左扫描数组，找到第一个小于基准值的元素，将其填入坑中（即将a[end]赋值给a[hole]），然后将坑的位置更新为已填入元素的位置。
  1. 再从左向右扫描数组，找到第一个大于基准值的元素，将其填入右边的坑中（即将a[begin]赋值给a[hole]），然后将坑的位置更新为已填入元素的位置。
  1. 重复步骤4和步骤5，直到开始索引不小于结束索引为止。
  1. 将基准值填入最后一个坑中，此时基准值左边的元素都小于它，右边的元素都大于它。
  1. 返回基准值的索引。
前后指针法

回顾一下霍尔法以及挖坑法的基本思路，其用left与right来拓展小于区和大于区，最后将key放在了中间。
像这样：
在这里插入图片描述
这个过程中，right右边的是大于的区域，left左边的是小于的区域。
当我们同时确定了大于的区域和小于的区域，再把key值插入。

那么我们一定要同时维护大于区和小于区吗？
不妨想一想，我们只维护一段小于区，把所有小于等于key的值都放进小于区，剩下的值不就是大于key的值了吗？
也就是说我们可以只维护一段区域，剩下的区域会自动生成，这就是前后指针法的思路。

先看代码，后解析。
代码如下：

// 快速排序前后指针法 
int PartSort3(int* a, int begin, int end)
{int midi = GetMidi(a, begin, end);Swap(&a[midi], &a[begin]);int prev = begin;int cur = prev + 1;int keyi = begin;while (cur <= end){if (a[cur] < a[keyi])//避免自己和自己交换Swap(&a[++prev], &a[cur]);cur++;}Swap(&a[prev], &a[keyi]);keyi = prev;return keyi;
}

思路：

使用一个prev指针维护一段小于区，用cur指针在数组中查找小于key的值，找到后放进小于区，并且++prev，意味着小于区扩展了一位。最后把key放到小于区的后面，此时大于区已经自动生成在了key的右侧。

代码详解：

首先，通过调用GetMidi函数获取中间元素的下标midi，然后将中间元素与起始元素交换位置，将中间元素作为基准元素。

接下来，定义两个指针prev和cur，prev指向基准元素的位置，cur指向prev的下一个位置。
然后，定义一个keyi变量来保存基准元素的位置。

进入循环，在循环内部首先判断cur所指向的元素是否小于基准元素，并且判断prev和cur是否相等，避免自己和自己交换。如果满足条件，则将prev指向的元素与cur指向的元素交换位置，prev向后移动一位（此时相当于小于区扩大了一位）。

循环结束后，将prev所指向的元素与基准元素交换位置，将基准元素放在正确的位置上，然后返回基准元素的位置keyi。

这样就完成了一次快速排序的分割操作。

示意图如下：
请添加图片描述

要注意，由于前两次交换，prev和cur还没有拉开差距，也就是说没有发现比key大的值，所以是自己和自己交换。

非递归法

那么也没有不递归的快速排序法呢？
也是有的，我们在递归排序时利用的思路是，每次递归key左侧的小于区以及右侧的大于区，把这个区域进行一次PartSort。

也就是说我们要想办法把下一次需要单趟排序的范围存储下来。
这里可以用到一个栈结构，每次单趟排序，把排序的区间从栈中取出来，排序完后根据key划分区域，再把需要排序的子区域入栈。

代码如下：
此处不对栈这个结构的实现做详解，受C语言限制，这个栈需要手撕。

// 快速排序 非递归实现
void QuickSortNonR(int* a, int begin, int end)
{Stack s;StackInit(&s);//初始化栈StackPush(&s, end);//入栈数组尾部StackPush(&s, begin);//入栈数组头部while (!StackEmpty(&s)){//取出栈顶的左右元素，作为本次排序的范围int left = StackTop(&s);StackPop(&s);int right = StackTop(&s);StackPop(&s);int keyi = PartSort(a, left, right);//一趟排序if (left < keyi - 1)//将本次排序的子区间入栈{StackPush(&s, keyi - 1);StackPush(&s, left);}if (keyi + 1 < right)//将本次排序的子区间入栈{StackPush(&s, right);StackPush(&s, keyi + 1);}}StackDestroy(&s);//销毁栈
}

下面是对代码的详细解释：

  1. 定义了一个函数QuickSortNonR，参数为待排序数组a的起始位置begin和结束位置end。
  1. 初始化一个栈s，用于保存待排序区间。调用StackInit函数初始化栈。
  1. 将数组的起始位置和结束位置分别入栈。即StackPush(&s, end)和StackPush(&s, begin)。
  1. 进入循环，判断栈是否为空。如果栈不为空，则继续执行排序操作；否则结束排序。
  1. 在循环内部，首先从栈顶取出左右边界，即left和right。分别将它们出栈。
  1. 调用PartSort函数进行一趟排序，将数组a中left到right之间的元素按照某个基准值进行划分，返回基准值的下标。
  1. 如果左边区间的起始位置left小于基准值的下标keyi-1，则将该区间入栈。即StackPush(&s, keyi-1)和StackPush(&s, left)。
  1. 如果右边区间的结束位置keyi+1小于right，则将该区间入栈。即StackPush(&s, right)和StackPush(&s, keyi+1)。
  1. 回到步骤5，继续下一次排序操作。
  1. 当栈为空时，表示所有的子区间都已经排序完成，结束循环。
  1. 调用StackDestroy函数销毁栈s，释放内存。

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