目录
一,快速排序(递归)
1,快排思想
2,霍尔排序
3,挖坑法
4,前后指针法
5,快速排序优化
1,三数取中法选key
2,小区间优化
二,快速排序(非递归)
Stack.h
Stack.c
三,快速排序源代码
一,快速排序(递归)
1,快排思想
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,其基本思想为: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;
基本代码思想如下:
// 假设按照升序对array数组中[left, right)区间中的元素进行排序
void QuickSort(int array[], int left, int right)
{if(right < left)return;// 按照基准值对array数组的 [left, right)区间中的元素进行划分int div = partion(array, left, right);// 划分成功后以div为边界形成了左右两部分 [left, div) 和 [div+1, right)// 递归排[left, div)QuickSort(array, left, div);// 递归排[div+1, right)QuickSort(array, div+1, right);
}
上述为快速排序递归实现的主框架,发现与二叉树前序遍历规则非常像,同学们在写递归框架时可想想二叉树前序遍历规则即可快速写出来,后序只需分析如何按照基准值来对区间中数据进行划分的方式即可;
2,霍尔排序
根据快排思想,我们需要实现的就是 partion 函数了----将区间按照基准值划分为左右两半部分;
常见的方式有很多,我们先来了解最初的版本 【霍尔排序】
思想图解:
对就是这样的,右边的小人先出发向左移动,找到比 key 小的数,然后左边的小人向右移动找到比 key 大的数,然后交换两个小人的值,直至他们相遇然后再交换 key 与任意一个小人的值;
这样一趟下来,他们相遇后,左边的数都比 key 小,右边的数都比 key 大;
思路实现:
//霍尔排序
int PartSort1(int* arr, int left, int right)
{int keyi = left;while (left < right){//右边先走while (left<right && arr[right]>=arr[keyi]){right--;}//左边后走while (left < right && arr[left] <= arr[keyi]){left++;}//交换Swap(&arr[left], &arr[right]);}Swap(&arr[left], &arr[keyi]);return left;
}
然后我们运行一下:
//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{if (begin >= end){return NULL;}//霍尔法int keyi = PartSort1(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);
}int main()
{int arr[] = { 9,1,2,5,7,4,8,6,3,5 };//快速排序QuickSort(arr, 0,sizeof(arr) / sizeof(arr[0])-1);PrintSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));return 0;
}
可以看到是有序的,选择排序就 OK 了;
3,挖坑法
然后我们再来认识另一种方式 【挖坑法】,其实跟【霍尔排序】思路差不多,不过更容易理解一点;
思想图解:
对还是一样的思路,让第一个元素为坑位,然后右边的小人先出发向左走找比 key 小的数,然后填充坑位并且右边小人的位置变为新坑位,然后左边的小人向右走找比 key 大的数,然后填充坑位并且左边小人的位置变为新坑位,直至两个小人相遇于坑位然后再给坑位赋值 key ;
这样一趟下来,坑位左边的数都比 key 小,右边的数都比 key 大;
思路实现:
//挖坑法
int PartSort2(int* arr, int left, int right)
{int key = arr[left];//坑位int hole = left;while (left < right){//右边找小while (left < right && arr[right] >= key){right--;}arr[hole] = arr[right];hole = right;//左边找大while (left < right && arr[left] <= key){left++;}arr[hole] = arr[left];hole = left;}arr[hole] = key;return hole;
}
然后我们运行一下:
//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{if (begin >= end){return NULL;}//挖坑法int keyi = PartSort2(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);
}
可以看到是有序的,选择排序就 OK 了;
4,前后指针法
然后呢,在介绍最后一种排序方式了 【前后指针】法;
这个呢就比较新颖了,跟之前的都不一样;
请看图解:
这个呢就是,定义两个指针,从首元素开始走,快指针(cur)刚开始领先慢指针(prev)一个身位,然后 cur 先走找比 key 小的数,然后与 prev 的下一个数交换,直至 cur 越界,然后再让 prev 与 key 交换;
这样一趟下来,prev 左边的数都比 key 小,右边的数都比 key 大;
思路实现:
//前后指针法
int PartSort3(int* arr, int left, int right)
{int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;
}
然后我们运行一下:
//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{if (begin >= end){return NULL;}int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);
}
可以看到是有序的,选择排序就 OK 了;
5,快速排序优化
1,三数取中法选key
这第一个呢,就是对 key 的取值进行优化,当 key 的值太过于小或者大时,遍历数组的时间会增加,所以我们尽量让 key 的取值随机;
我们可以取首元素,尾元素,中间元素的值进行比较选 key ;
思路实现:
//三数取中
int middle(int* arr, int left, int right)
{//int mid = (left +right)/ 2;if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}
}
这样我们选择的 key 就不会受 首元素的束缚了;
我们还可不可以在这个基础上再优化一下呢?
答案是肯定的!
我们可以用随机数来取代中间数;
//三数取中
int middle(int* arr, int left, int right)
{//随机数取中int mid = left + (rand() % (right - left));if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}
}
这样子才是真正意义上的随机值,这样 key 就不受束缚了,再任何场景下都可以排序自如;
我们选完 key 的下标后,要让数组首元素的值与之交换,这样后面不动就 OK 了;
以【前后指针法】为例:
//前后指针法
int PartSort3(int* arr, int left, int right)
{//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;
}
主函数需要写 srand 函数来引用随机值;
//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);
}
现在我们运行测试一下:
其实速度是更快的,大家可以在【力扣】上测试一下;
2,小区间优化
还有一种优化方式是当递归到小的子区间时,可以考虑使用插入排序;
当数组的区间不大时,使用【插入排序】是会更快的,同时也可以减少压栈的次数,也就是降低【空间复杂度】;
//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}if (end - begin <10){InsertSort1(arr,begin,end);}else{int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}
}
然后我们还需要改变一下插入排序,之前都是传数组元素个数的,现在我们要传区间需要改造一下;
//插入排序(改造版)
void InsertSort1(int* arr, int left, int right)
{int i = 0;for (i = left; i < right; i++){int end = i;int tmp = arr[end + 1];while (end >= 0){if (arr[end] >= tmp){//交换Swap(&arr[end], &arr[end + 1]);end--;}else{break;}}arr[end + 1] = tmp;}
}
这样就可以了,现在我们运行测试一下:
可以看到是有序的,选择排序就 OK 了;
二,快速排序(非递归)
之前咱们拿捏了递归版的快速排序,现在咱们来秒杀非递归版的快速排序;
我们之前了解到,快速排序与二叉树的前序遍历相似,所以我们非递归也要用这种手法来表示;
所以我们需要借助【栈】来帮助我们来实现;
因为【栈】的特性(后进先出)很符合二叉树的前序遍历的思想,这样我们可以先排序最左边的序列,在排序右边的,前面的都放在【栈】里等后面排序;
所以我们需要一个【栈】:
Stack.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>typedef int STDataType;
typedef struct StackTop
{STDataType* a;int top;int capacity;
}ST;//初始化
void STInit(ST* ps);
//销毁
void STDestroy(ST* ps);
//插入
void STPush(ST* ps, STDataType x);
//删除
void STPop(ST* ps);
//返回栈顶
STDataType STInsert(ST* ps);
//数量
int STSize(ST* ps);
//判断是否为空
int STEmpty(ST* ps);
Stack.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Stack.h"//初始化
void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}
//销毁
void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}
//插入
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);if (ps->top == ps->capacity){ps->capacity = ps->top == 0 ? 4 : ps->capacity*2;ps->a = (STDataType*)realloc(ps->a,sizeof(STDataType)*ps->capacity);}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;
}
//删除
void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);ps->top--;
}
//返回栈顶
STDataType STInsert(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);return ps->a[ps->top-1];
}
//数量
int STSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}
//判断是否为空
int STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);if (ps->top == 0){return 1;}else{return 0;}
}
然后我们就可以实现代码了;
我们的思路是:
将两边的下标存进【栈】,然后再取栈顶元素进行排序(霍尔或者其他),每取一个栈顶元素之后要把栈顶元素删除,然后再存放 keyi 两边的区间,再重复上面的过程,直至【栈】为空排序结束;
//快速排序(非递归)
void QuickNon(int* arr, int begin, int end)
{srand(time(0));ST ps;//初始化STInit(&ps);if (begin >= end){return;}//插入STPush(&ps, end);STPush(&ps, begin);//栈不为空就进去while (!STEmpty(&ps)){int left = STInsert(&ps);//栈顶元素STPop(&ps);//删除int right = STInsert(&ps);STPop(&ps);int keyi = PartSort1(arr, left, right);//排序[left,keyi-1] & [keyi+1,right]if (keyi + 1 < right){//插入STPush(&ps, right);STPush(&ps, keyi + 1);}if (left < keyi - 1){//插入STPush(&ps, keyi - 1);STPush(&ps, left);}}//销毁STDestroy(&ps);
}
我们运行测试一下:
可以看到也是完全 OK 的;
这就是快速排序的非递归实现!
三,快速排序源代码
以上的快速排序的全部代码如下(不包括【栈】):
//三数取中
int middle(int* arr, int left, int right)
{//int mid = (left +right)/ 2;//随机数取中int mid = left + (rand() % (right - left));if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}
}//霍尔排序
int PartSort1(int* arr, int left, int right)
{//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;while (left < right){//右边先走while (left<right && arr[right]>=arr[keyi]){right--;}//左边后走while (left < right && arr[left] <= arr[keyi]){left++;}//交换Swap(&arr[left], &arr[right]);}Swap(&arr[left], &arr[keyi]);return left;
}//挖坑法
int PartSort2(int* arr, int left, int right)
{//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int key = arr[left];int hole = left;while (left < right){while (left < right && arr[right] >= key){right--;}arr[hole] = arr[right];hole = right;while (left < right && arr[left] <= key){left++;}arr[hole] = arr[left];hole = left;}arr[hole] = key;return hole;
}//前后指针法
int PartSort3(int* arr, int left, int right)
{//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;
}//插入排序(改造版)
void InsertSort1(int* arr, int left, int right)
{int i = 0;for (i = left; i < right; i++){int end = i;int tmp = arr[end + 1];while (end >= 0){if (arr[end] >= tmp){//交换Swap(&arr[end], &arr[end + 1]);end--;}else{break;}}arr[end + 1] = tmp;}
}//快速排序
void QuickSort(int* arr, int begin, int end)
{srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}if (end - begin <10){InsertSort1(arr,begin,end);}else{int keyi = PartSort1(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}
}//快速排序(非递归)
void QuickNon(int* arr, int begin, int end)
{srand(time(0));ST ps;//初始化STInit(&ps);if (begin >= end){return;}//插入STPush(&ps, end);STPush(&ps, begin);//栈不为空就进去while (!STEmpty(&ps)){int left = STInsert(&ps);//栈顶元素STPop(&ps);//删除int right = STInsert(&ps);STPop(&ps);int keyi = PartSort1(arr, left, right);//排序[left,keyi-1] & [keyi+1,right]if (keyi + 1 < right){//插入STPush(&ps, right);STPush(&ps, keyi + 1);}if (left < keyi - 1){//插入STPush(&ps, keyi - 1);STPush(&ps, left);}}//销毁STDestroy(&ps);
}
特性总结:
1,快速排序整体的综合性能和使用场景都是比较好的,所以才敢叫快速排序
2.,时间复杂度:O(N*logN)
3.,空间复杂度:O(logN)
4, 稳定性:不稳定
第三阶段就到这里了,带大家啃块硬骨头磨磨牙!
后面博主会陆续更新;
如有不足之处欢迎来补充交流!
完结。。
再次祝大家国庆节快乐!