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排序算法

排序算法(Sorting algorithm)最常用的算法之一,是一种能将一串数据依照特定排序方式进行排列的一种算法(维基百科)。排序算法的输出必须遵守下列两个原则:

  1. 输出结果为递增串行(递增是针对所需的排序顺序而言)
  2. 输出结果是原输入的一种排列、或是重组

虽然排序算法是一个简单的问题,但是从计算机科学发展以来,在此问题上已经有大量的研究。举例而言,冒泡排序在1956年就已经被研究。虽然大部分人认为这是一个已经被解决的问题,有用的新算法仍在不断的被发明。(例子:图书馆排序在2004年被发表)

算法分类

理论        计算复杂性理论 大O符号 全序关系 列表 稳定性 比较排序 自适应排序 排序网络 整数排序
交换排序    **冒泡排序** 鸡尾酒排序 奇偶排序 梳排序 侏儒排序 **快速排序** 臭皮匠排序 Bogo排序
选择排序    选择排序 堆排序 平滑排序 笛卡尔树排序 锦标赛排序 圈排序
插入排序    插入排序 希尔排序 Splay排序 二叉查找树排序 图书馆排序 耐心排序
归并排序    归并排序 梯级归并排序 振荡归并排序 多相归并排序 列表排序
分布排序    美国旗帜排序 珠排序 桶排序 爆炸排序 **计数排序** 鸽巢排序 相邻图排序 基数排序 闪电排序 插值排序
并发排序    双调排序器 Batcher归并网络 两两排序网络
混合排序    块排序 Tim排序 内省排序 Spread排序 J排序
其他        拓扑排序 煎饼排序 意粉排序

排列算法列表

在以下列表中,n是要被排序的纪录数量以及k是不同键值的数量。

稳定的

  • 冒泡排序(bubble sort)— O(n2)
  • 鸡尾酒排序(cocktail sort,双向的冒泡排序)—O(n2)
  • 插入排序(insertion sort)—O(n2)
  • 桶排序(bucket sort)—O(n);需要O(k)额外空间
  • 计数排序(counting sort)—O(n+k);需要O(n+k)额外空间
  • 归并排序(merge sort)—O(n log n);需要O(n)额外空间
  • 原地归并排序— O(n2)
  • 二叉排序树排序(binary tree sort)— O(n log n)期望时间; O(n2)最坏时间;需要O(n)额外空间
  • 鸽巢排序(pigeonhole sort)—O(n+k);需要O(k)额外空间
  • 基数排序(radix sort)—O(n·k);需要O(n)额外空间
  • 侏儒排序(gnome sort)— O(n2)
  • 图书馆排序(library sort)— O(n log n) with high probability,需要(1+ε)n额外空间

不稳定

  • 选择排序(selection sort)—O(n2)
  • 希尔排序(shell sort)—O(n log n)如果使用最佳的现在版本
  • 组合排序— O(n log n)
  • 堆排序(heap sort)—O(n log n)
  • 平滑排序(smooth sort)— O(n log n)
  • 快速排序(quick sort)—O(n log n)期望时间, O(n2)最坏情况;对于大的、乱数列表一般相信是最快的已知排序
  • 内省排序(introsort)—O(n log n)
  • 耐心排序(patience sort)—O(n log n + k)最坏情况时间,需要额外的O(n + k)空间,也需要找到最长的递增子串行(longest increasing subsequence)

不实用的排序算法

  • Bogo排序— O(n × n!),最坏的情况下期望时间为无穷。
  • Stupid排序—O(n3);递归版本需要O(n2)额外存储器
  • 珠排序(bead sort)— O(n) or O(√n),但需要特别的硬件
  • Pancake sorting—O(n),但需要特别的硬件
  • 臭皮匠排序(stooge sort)算法简单,但需要约n^2.7的时间

平均时间复杂度

  • 冒泡排序O(n2)
  • 选择排序O(n2)
  • 插入排序O(n2)
  • 归并排序O(n log n)
  • 堆排序O(n log n)
  • 快速排序O(n log n)
  • 希尔排序O(n1.25)
  • 基数排序O(n)

说明:虽然完全逆序的情况下,快速排序会降到选择排序的速度,不过从概率角度来说(参考信息学理论,和概率学),不对算法做编程上优化时,快速排序的平均速度比堆排序要快一些。

  • 快速排序
  • 计数排序
  • 梳排序
  • 堆排序
  • 归并排序
  • 希尔排序
  • 选择排序
  • 插入排序
  • 地精排序
  • 联合冒泡排序
  • 鸡尾酒排序
  • 冒泡排序
  • 奇偶排序
  • 使用标志的冒泡排序

快速排序

介绍:

快速排序是由东尼·霍尔所发展的一种排序算法(维基百科)。在平均状况下,排序 n 个项目要Ο(n log n)次比较。在最坏状况下则需要Ο(n2)次比较,但这种状况并不常见。事实上,快速排序通常明显比其他Ο(n log n) 算法更快,因为它的内部循环(inner loop)可以在大部分的架构上很有效率地被实现出来,且在大部分真实世界的数据,可以决定设计的选择,减少所需时间的二次方项之可能性。

步骤:

快速排序使用分治法(Divide and conquer)策略来把一个串行(list)分为两个子串行(sub-lists)。

  1. 从数列中挑出一个元素,称为 “基准”(pivot),重新排序数列,所有元素比基准值小的摆放在基准前面,所有元素比基准值大的摆在基准的后面(相同的数可以到任一边)。
  2. 在这个分区退出之后,该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区(partition)操作。
  3. 递归地(recursive)把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。

核心代码

function quickSort(arr,campfunc,left,right){
    if(arguments.length <2){
        campfunc = quickSort.comp;
    }
    if(arguments.length != 4){
        left = 0;
        right = arr.length -1;
    }

    if(left > right){
        return ;
    }

    var index = quickSort.partition(arr,campfunc,left,right);
    quickSort(arr,campfunc,left,index-1);
    quickSort(arr,campfunc,index + 1, right);
}

quickSort.comp = function (a,b){
    return a > b;
};

quickSort.swap = function (arr,lIndex,rIndex){
    var temp = arr[lIndex];
    arr[lIndex] = arr[rIndex];
    arr[rIndex] = temp;
};

quickSort.partition = function (arr,campfunc,left,right){
    var index = left;
    var pivot = arr[index];
    quickSort.swap(arr,index,right);

    for(var i = left; i < right; i++){
        if(campfunc(arr[i],pivot)){
            quickSort.swap(arr,index++,i);
        }
    }
    quickSort.swap(arr,right,index);
    return index;
};


var arr = [5, 3, 7, 4, 1, 9, 8, 6, 2];
quickSort(arr,function(a,b){return a < b;});
console.log(arr);

排序效果:

快速排序

归并排序

介绍:

归并排序(Merge sort,台湾译作:合并排序)是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用

步骤:

  1. 申请空间,使其大小为两个已经排序序列之和,该空间用来存放合并后的序列
  2. 设定两个指针,最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置
  3. 比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入到合并空间,并移动指针到下一位置
  4. 重复步骤3直到某一指针达到序列尾
  5. 将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾

排序效果:

归并排序

堆排序

介绍:

堆积排序(Heapsort)是指利用这种数据结构所设计的一种排序算法。堆是一个近似完全二叉树的结构,并同时满足堆性质:即子结点的键值或索引总是小于(或者大于)它的父节点。

步骤:

(比较复杂,自己上网查吧)

排序效果:

堆排序

选择排序

介绍:

选择排序(Selection sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小元素,然后放到排序序列末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。

步骤:

排序效果:

选择排序

冒泡排序

介绍:

冒泡排序(Bubble Sort,台湾译为:泡沫排序或气泡排序)是一种简单的排序算法(维基百科)。它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果他们的顺序错误就把他们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

步骤:

  1. 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。
  2. 对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。在这一点,最后的元素应该会是最大的数。
  3. 针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
  4. 持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。

核心代码:

//伪代码
function bubblesort (A : list[0..n-1]) {
	var int i, j;
	for i from n-1 downto 0 {
	    for j from 0 to i { 
	        if (A[j] > A[j+1])
 	           swap(A[j], A[j+1])
	    }
	}
}

//JavaScript实现
function bubbleSort(arr){
  var i=arr.length, j;
  var tempExchangVal;
  while(i>0){
    for(j=0;j<i-1;j++){
      if(arr[j]>arr[j+1]){
        tempExchangVal = arr[j];
        arr[j]=arr[j+1];
        arr[j+1]=tempExchangVal;
      }
    }
    i--;
  }
  return arr;
}
var arr = [3,2,4,9,1,5,7,6,8];
var arrSorted = bubbleSort(arr);
console.log(arrSorted);
//alert(arrSorted);

排序效果:

冒泡排序

插入排序

介绍:

插入排序(Insertion Sort)的算法描述是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。插入排序在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到O(1)的额外空间的排序),因而在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后挪位,为最新元素提供插入空间。

步骤:

  1. 从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序
  2. 取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描
  3. 如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置
  4. 重复步骤3,直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置
  5. 将新元素插入到该位置中
  6. 重复步骤2~5

如果比较操作的代价比交换操作大的话,可以采用二分查找法来减少比较操作的数目。该算法可以认为是插入排序的一个变种,称为二分查找排序

核心代码

//JavaScript实现
Array.prototype.insert_sort = function(){
    var len=this.lenght,
		key,
    	t;
    for (j=1;j<len;j++ ){ 
		//从阵列第二个元素开始回圈。
        key=this[j];
        t=j-1;
        while (t>=0 && this[t]>key){
            this[t+1]=this[t];
            this[t]=key;//如果回圈到的元素比其前一个元素大,则互换其位置。
            t--;
        }
    }
    return this;
}

排序效果:

插入排序

插入排序

希尔排序

介绍:

希尔排序,也称递减增量排序算法,是插入排序的一种高速而稳定的改进版本。

希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的:

  1. 插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时, 效率高, 即可以达到线性排序的效率
  2. 但插入排序一般来说是低效的, 因为插入排序每次只能将数据移动一位

排序效果:

希尔排序

计数排序

介绍:

计数排序(Counting sort)是一种稳定的排序算法。计数排序使用一个额外的数组C,其中第i个元素是待排序数组A中值等于i的元素的个数。然后根据数组C来将A中的元素排到正确的位置。

计数排序的特征:

当输入的元素是 n 个 0 到 k 之间的整数时,它的运行时间是 Θ(n + k)。计数排序不是比较排序,排序的速度快于任何比较排序算法。

由于用来计数的数组C的长度取决于待排序数组中数据的范围(等于待排序数组的最大值与最小值的差加上1),这使得计数排序对于数据范围很大的数组,需要大量时间和内存。例如:计数排序是用来排序0到100之间的数字的最好的算法,但是它不适合按字母顺序排序人名。但是,计数排序可以用在基数排序中的算法来排序数据范围很大的数组。

通俗地理解,例如有10个年龄不同的人,统计出有8个人的年龄比A小,那A的年龄就排在第9位,用这个方法可以得到其他每个人的位置,也就排好了序。当然,年龄有重复时需要特殊处理(保证稳定性),这就是为什么最后要反向填充目标数组,以及将每个数字的统计减去1的原因。 算法的步骤如下:

  1. 找出待排序的数组中最大和最小的元素
  2. 统计数组中每个值为i的元素出现的次数,存入数组C的第i项
  3. 对所有的计数累加(从C中的第一个元素开始,每一项和前一项相加)
  4. 反向填充目标数组:将每个元素i放在新数组的第C(i)项,每放一个元素就将C(i)减去1

核心代码

//JavaScript实现
Array.prototype.count_sort = function(){
    var len=this.lenght,
		key,
    	t;
    
    return this;
}

排序效果:

外部链接