十大排序算法_java版

排序相关的定义

• 排序：对一序列对象根据某个关键字进行排序。
• 稳定 ：如果a原本在b前面，而a=b，排序之后a仍然在b的前面；
• 不稳定 ：如果a原本在b的前面，而a=b，排序之后a可能会出现在b的后面；
• 内排序 ：所有排序操作都在内存中完成；
• 外排序 ：由于数据太大，因此把数据放在磁盘中，而排序通过磁盘和内存的数据传输才能进行；
• 时间复杂度 ： 一个算法执行所耗费的时间。
• 空间复杂度 ：运行完一个程序所需内存的大小。

排序的分类

其中，n: 数据规模，k: “桶”的个数，In-place: 占用常数内存，不占用额外内存，Out-place: 占用额外内存。

比较和非比较的区别

常见的快速排序、归并排序、堆排序、冒泡排序 等属于比较排序 。在排序的最终结果里，元素之间的次序依赖于它们之间的比较。每个数都必须和其他数进行比较，才能确定自己的位置 。

在冒泡排序之类的排序中，问题规模为n，又因为需要比较n次，所以平均时间复杂度为O(n²)。在归并排序、快速排序之类的排序中，问题规模通过分治法消减为logN次，所以时间复杂度平均O(nlogn)。

比较排序的优势是，适用于各种规模的数据，也不在乎数据的分布，都能进行排序。可以说，比较排序适用于一切需要排序的情况。

计数排序、基数排序、桶排序则属于非比较排序 。非比较排序是通过确定每个元素之前，应该有多少个元素来排序。针对数组arr，计算arr[i]之前有多少个元素，则唯一确定了arr[i]在排序后数组中的位置 。

非比较排序只要确定每个元素之前的已有的元素个数即可，所有一次遍历即可解决。算法时间复杂度O(n)。

非比较排序时间复杂度底，但由于非比较排序需要占用空间来确定唯一位置。所以对数据规模和数据分布有一定的要求。

冒泡排序（Bubble Sort）

冒泡排序 是一种简单的排序算法。它重复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。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。

算法描述

• 步骤1: 比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换它们两个；
• 步骤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，这样在最后的元素应该会是最大的数；
• 步骤3: 针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个；
• 步骤4: 重复步骤1~3，直到排序完成。

代码实现

 //冒泡排序时间复杂度 O（n²）
    //从小到大，每一躺排序，都将得到最大的一位，并将其移动到最后
    //每趟逐次排序，最终将得到有序数列
    //*内部相邻元素，两两比较，交换排序
public static void mintomax(int[] arr){
    int temp=0;
    for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {//外层进行arr.length-1次比较
        for (int j = 0; j < arr.length-1-i; j++) {//内层进行arr.length-1-i次比较
            if(arr[j]>arr[j+1]){//从小到大，if(arr[j]<arr[j+1]){//从大到小
                temp=arr[j+1];
                arr[j+1]=arr[j];
                arr[j]=temp;
            }
        }
        System.out.println("第"+(i+1)+"躺排序后的数组\t"+ Arrays.toString(arr));
    }
//    System.out.println("从小到大");
//    for(int data:arr){
//        System.out.print(data+" ");
//    }
}

冒泡排序算法优化

//优化，设置flag判断元素是否交换，减少不必要的比较
    public static void updateBubble(int[] arr){
        int temp=0;

        boolean flag=false;
        for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {//外层进行arr.length-1次比较
            for (int j = 0; j < arr.length-1-i; j++) {//内层进行arr.length-1-i次比较i
                if(arr[j]>arr[j+1]){//从小到大，if(arr[j]<arr[j+1]){//从大到小
                    flag=true;
                    temp=arr[j+1];
                    arr[j+1]=arr[j];
                    arr[j]=temp;
                }
//                System.out.println( Arrays.toString(arr));
            }
            System.out.println("第"+(i+1)+"躺排序后的数组\t"+ Arrays.toString(arr));
            if(!flag){//flag==false;
                break;
            }else{
                flag=false;
            }
        }

//        System.out.println("从小到大");
//        for(int data:arr){
//            System.out.print(data+" ");
//        }
    }

选择排序（Selection Sort）

选择排序 是表现最稳定的排序算法之一 ，因为无论什么数据进去都是O(n2)的时间复杂度 ，所以用到它的时候，数据规模越小越好。唯一的好处可能就是不占用额外的内存空间了吧。理论上讲，选择排序可能也是平时排序一般人想到的最多的排序方法了吧。

选择排序(Selection-sort) 是一种简单直观的排序算法。它的工作原理：首先在未排序序列中找到最小（大）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（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此类推，直到所有元素均排序完毕。

算法描述

n个记录的直接选择排序可经过n-1趟直接选择排序得到有序结果。具体算法描述如下：

• 步骤1：第一次从arr中选择最小的与arr[0]交换，第2次从arr[1]-arr[n-1]中选择最小的与arr[1]交换…
• 步骤2：逐次从剩余数组中选择最小的进行交换，得到一个从小到大的有序数列

代码实现

public static void select(int[] arr){//选择排序
    int min=0;
    for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {//外层比较arr.length-1躺
        for (int j = 1+i; j <arr.length; j++) {
            if (arr[i]>arr[j]){
                min=arr[j];
                arr[j]=arr[i];
                arr[i]=min;
            }
        }
        System.out.println("第"+(i+1)+"次比较："+ Arrays.toString(arr));
    }
}

插入排序（Insertion Sort）

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。

3.1 算法描述

一般来说，插入排序都采用in-place在数组上实现。具体算法描述如下：

• 步骤1: 从第一个元素开始，该元素可以认为已经被排序；
• 步骤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；
• 步骤3: 如果该元素（已排序）大于新元素，将该元素移到下一位置；
• 步骤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；
• 步骤5: 将新元素插入到该位置后；
• 步骤6: 重复步骤2~5。

代码实现

   /**
     * 插入排序
     * @param array
     * @return
     */
    public static int[] insertionSort(int[] array) {
        if (array.length == 0)
            return array;
        int current;
        for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
            current = array[i + 1];
            int preIndex = i;
            while (preIndex >= 0 && current < array[preIndex]) {
                array[preIndex + 1] = array[preIndex];
                preIndex--;
            }
            array[preIndex + 1] = current;
        }
        return array;
    }

希尔排序（Shell Sort）

希尔排序是希尔（Donald Shell） 于1959年提出的一种排序算法。希尔排序也是一种插入排序，它是简单插入排序经过改进之后的一个更高效的版本，也称为缩小增量排序，同时该算法是冲破O(n2）的第一批算法之一。它与插入排序的不同之处在于，它会优先比较距离较远的元素。希尔排序又叫缩小增量排序。

希尔排序是把记录按下表的一定增量分组，对每组使用直接插入排序算法排序；随着增量逐渐减少，每组包含的关键词越来越多，当增量减至1时，整个文件恰被分成一组，算法便终止。

算法描述

我们来看下希尔排序的基本步骤，在此我们选择增量gap=length/2，缩小增量继续以gap = gap/2的方式，这种增量选择我们可以用一个序列来表示，{n/2,(n/2)/2…1}，称为增量序列。希尔排序的增量序列的选择与证明是个数学难题，我们选择的这个增量序列是比较常用的，也是希尔建议的增量，称为希尔增量，但其实这个增量序列不是最优的。此处我们做示例使用希尔增量。

先将整个待排序的记录序列分割成为若干子序列分别进行直接插入排序，具体算法描述：

• 步骤1：选择一个增量序列t1，t2，…，tk，其中ti>tj，tk=1；
• 步骤2：按增量序列个数k，对序列进行k 趟排序；
• 步骤3：每趟排序，根据对应的增量ti，将待排序列分割成若干长度为m 的子序列，分别对各子表进行直接插入排序。仅增量因子为1 时，整个序列作为一个表来处理，表长度即为整个序列的长度。
  
  代码实现

//在插入时采用交换法
public static void shellSort(int[] arr){
	int temp=0;
	int count=0;
	for(int gap=arr.length/2;gap>0;gap/=2){
		for (int i = gap; i <arr.length ; i++) {
			for (int j=i-gap;j>=0;j-=gap){//遍历各组中所有元素（共有gap组），步长为gap
				if (arr[j]>arr[j+gap]){//交换，从小到大排序
					temp=arr[j];
					arr[j]=arr[j+gap];
					arr[j+gap]=temp;
				}
			}
		}
	System.out.println(“希尔排序第”+(++count)+“轮：”+ Arrays.toString(arr));
	}
}

//在插入时采用移动法,用时少
public static void shellSort1(int[] arr){
	int count=0;
	for(int gap=arr.length/2;gap>0;gap/=2) {
		for (int i = gap; i < arr.length; i++) {
			int j=i;
			int temp=arr[j];
			if(arr[j]<arr[j-gap]){
				while (j-gap>=0&&temp<arr[j-gap]){
					//移动
					arr[j]=arr[j-gap];
					j-=gap;
				}
				//退出while后，找到插入位置
				arr[j]=temp;
			}
		}
	System.out.println(“希尔排序第”+(++count)+“轮：”+ Arrays.toString(arr));
	}
}

归并排序（Merge Sort）

和选择排序一样，归并排序的性能不受输入数据的影响，但表现比选择排序好的多，因为始终都是O(n log n）的时间复杂度。代价是需要额外的内存空间。

归并排序 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。归并排序是一种稳定的排序方法。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表，称为2-路归并。

算法描述

• 步骤1：把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列；
• 步骤2：对这两个子序列分别采用归并排序；
• 步骤3：将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

实现代码

/**
     * 归并排序
     *
     * @param array
     * @return
     */
    public static int[] MergeSort(int[] array) {
        if (array.length < 2) return array;
        int mid = array.length / 2;
        int[] left = Arrays.copyOfRange(array, 0, mid);
        int[] right = Arrays.copyOfRange(array, mid, array.length);
        return merge(MergeSort(left), MergeSort(right));
    }
    /**
     * 归并排序——将两段排序好的数组结合成一个排序数组
     *
     * @param left
     * @param right
     * @return
     */
    public static int[] merge(int[] left, int[] right) {
        int[] result = new int[left.length + right.length];
        for (int index = 0, i = 0, j = 0; index < result.length; index++) {
            if (i >= left.length)
                result[index] = right[j++];
            else if (j >= right.length)
                result[index] = left[i++];
            else if (left[i] > right[j])
                result[index] = right[j++];
            else
                result[index] = left[i++];
        }
        return result;
    }

快速排序（Quick Sort）

快速排序 的基本思想：通过一趟排序将待排记录分隔成独立的两部分，其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小，则可分别对这两部分记录继续进行排序，以达到整个序列有序。

6.1 算法描述
快速排序使用分治法来把一个串（list）分为两个子串（sub-lists）。具体算法描述如下：

• 步骤1：从数列中挑出一个元素，称为 “基准”（pivot ）；
• 步骤2：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）。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；
• 步骤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。

代码实现

 public static void sortQuick(int[] in, int left, int right){
        int key = in[left]; //选定数组第一个数字作为基准值key
        int start = left;
        int end = right;
        //该while循环目的是将小于key值的数放其左边，大于放其右边，最终得到
        //key的位置，然后在以此位置递归排序，得到有序序列
        while(start<end){
            //先从右向左遍历,找到小于key的值,然后把这个值赋给arr[start]。
            while(start < end && key<=in[end]){
                end--;
            }
            in[start] = in[end];

            //在从左向右遍历,找到大于key的,然后把这个值赋给arr[end]。
            while(start < end && key > in[start]){
                start++;
            }
            in[end] = in[start];
        }
        //此时start==end,这就是所谓的轴，把key放入轴中，轴左边的都<key,轴右边的都>key
        //当while循环结束时，条件为start=end，为key所在的新位置，把该位置赋值key
        in[start] = key;
        //此时大家想象一下，轴在数组中间（start=end)，说明把数组分成两部分，此时要对这两部分分别进行快排。
        if(start>left)sortQuick(in,left,start-1);
        if(end<right)sortQuick(in, end+1, right);
        //return in;
    }
}

堆排序（Heap Sort）

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

算法描述

• 步骤1：将初始待排序关键字序列(R1,R2….Rn)构建成大顶堆，此堆为初始的无序区；
• 步骤2：将堆顶元素R[1]与最后一个元素R[n]交换，此时得到新的无序区(R1,R2,……Rn-1)和新的有序区(Rn),且满足R[1,2…n-1]<=R[n]；
• 步骤3：由于交换后新的堆顶R[1]可能违反堆的性质，因此需要对当前无序区(R1,R2,……Rn-1)调整为新堆，然后再次将R[1]与无序区最后一个元素交换，得到新的无序区(R1,R2….Rn-2)和新的有序区(Rn-1,Rn)。不断重复此过程直到有序区的元素个数为n-1，则整个排序过程完成。

代码实现

//声明全局变量，用于记录数组array的长度；
    static int len;
    /**
     * 堆排序算法
     *
     * @param array
     * @return
     */
    public static int[] HeapSort(int[] array) {
        len = array.length;
        if (len < 1) return array;
        //1.构建一个最大堆
        buildMaxHeap(array);
        //2.循环将堆首位（最大值）与末位交换，然后在重新调整最大堆
        while (len > 0) {
            swap(array, 0, len - 1);
            len--;
            adjustHeap(array, 0);
        }
        return array;
    }
    /**
     * 建立最大堆
     *
     * @param array
     */
    public static void buildMaxHeap(int[] array) {
        //从最后一个非叶子节点开始向上构造最大堆
        //for循环这样写会更好一点：i的左子树和右子树分别2i+1和2(i+1)
        for (int i = (len/2- 1); i >= 0; i--) {
            adjustHeap(array, i);
        }
    }
    /**
     * 调整使之成为最大堆
     *
     * @param array
     * @param i
     */
    public static void adjustHeap(int[] array, int i) {
        int maxIndex = i;
        //如果有左子树，且左子树大于父节点，则将最大指针指向左子树
        if (i * 2 < len && array[i * 2] > array[maxIndex])
            maxIndex = i * 2;   //感谢网友矫正，之前是i*2+1
        //如果有右子树，且右子树大于父节点，则将最大指针指向右子树
        if (i * 2 + 1 < len && array[i * 2 + 1] > array[maxIndex])
            maxIndex = i * 2 + 1;   //感谢网友矫正，之前是i*2+2
        //如果父节点不是最大值，则将父节点与最大值交换，并且递归调整与父节点交换的位置。
        if (maxIndex != i) {
            swap(array, maxIndex, i);
            adjustHeap(array, maxIndex);
        }
    }

计数排序（Counting Sort）

计数排序 的核心在于将输入的数据值转化为键存储在额外开辟的数组空间中。 作为一种线性时间复杂度的排序，计数排序要求输入的数据必须是有确定范围的整数。

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。它只能对整数进行排序。

算法描述

• 步骤1：找出待排序的数组中最大和最小的元素；
• 步骤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；
• 步骤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）；
• 步骤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。

    /**
     * 计数排序
     *
     * @param array
     * @return
     */
    public static int[] CountingSort(int[] array) {
        if (array.length == 0) return array;
        int bias, min = array[0], max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if (array[i] > max)
                max = array[i];
            if (array[i] < min)
                min = array[i];
        }
        bias = 0 - min;
        int[] bucket = new int[max - min + 1];
        Arrays.fill(bucket, 0);
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            bucket[array[i] + bias]++;
        }
        int index = 0, i = 0;
        while (index < array.length) {
            if (bucket[i] != 0) {
                array[index] = i - bias;
                bucket[i]--;
                index++;
            } else
                i++;
        }
        return array;
    }

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 O(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。

桶排序（Bucket Sort）

桶排序 是计数排序的升级版。它利用了函数的映射关系，高效与否的关键就在于这个映射函数的确定。

桶排序 (Bucket sort)的工作的原理：
假设输入数据服从均匀分布，将数据分到有限数量的桶里，每个桶再分别排序（有可能再使用别的排序算法或是以递归方式继续使用桶排序进行排

算法描述

• 步骤1：人为设置一个BucketSize，作为每个桶所能放置多少个不同数值（例如当BucketSize==5时，该桶可以存放｛1,2,3,4,5｝这几种数字，但是容量不限，即可以存放100个3）；
• 步骤2：遍历输入数据，并且把数据一个一个放到对应的桶里去；
• 步骤3：对每个不是空的桶进行排序，可以使用其它排序方法，也可以递归使用桶排序；
• 步骤4：从不是空的桶里把排好序的数据拼接起来。

注意，如果递归使用桶排序为各个桶排序，则当桶数量为1时要手动减小BucketSize增加下一循环桶的数量，否则会陷入死循环，导致内存溢出。

代码实现

 /**
     * 桶排序
     *
     * @param array
     * @param bucketSize
     * @return
     */
    public static ArrayList<Integer> BucketSort(ArrayList<Integer> array, int bucketSize) {
        if (array == null || array.size() < 2)
            return array;
        int max = array.get(0), min = array.get(0);
        // 找到最大值最小值
        for (int i = 0; i < array.size(); i++) {
            if (array.get(i) > max)
                max = array.get(i);
            if (array.get(i) < min)
                min = array.get(i);
        }
        int bucketCount = (max - min) / bucketSize + 1;
        ArrayList<ArrayList<Integer>> bucketArr = new ArrayList<>(bucketCount);
        ArrayList<Integer> resultArr = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < bucketCount; i++) {
            bucketArr.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        for (int i = 0; i < array.size(); i++) {
            bucketArr.get((array.get(i) - min) / bucketSize).add(array.get(i));
        }
        for (int i = 0; i < bucketCount; i++) {
            if (bucketSize == 1) { // 如果带排序数组中有重复数字时
                for (int j = 0; j < bucketArr.get(i).size(); j++)
                    resultArr.add(bucketArr.get(i).get(j));
            } else {
                if (bucketCount == 1)
                    bucketSize--;
                ArrayList<Integer> temp = BucketSort(bucketArr.get(i), bucketSize);
                for (int j = 0; j < temp.size(); j++)
                    resultArr.add(temp.get(j));
            }
        }
        return resultArr;
    }

桶排序最好情况下使用线性时间O(n)，桶排序的时间复杂度，取决与对各个桶之间数据进行排序的时间复杂度，因为其它部分的时间复杂度都为O(n)。很显然，桶划分的越小，各个桶之间的数据越少，排序所用的时间也会越少。但相应的空间消耗就会增大。

基数排序（Radix Sort）

基数排序也是非比较的排序算法，对每一位进行排序，从最低位开始排序，复杂度为O(kn),为数组长度，k为数组中的数的最大的位数；

基数排序是按照低位先排序，然后收集；再按照高位排序，然后再收集；依次类推，直到最高位。有时候有些属性是有优先级顺序的，先按低优先级排序，再按高优先级排序。最后的次序就是高优先级高的在前，高优先级相同的低优先级高的在前。基数排序基于分别排序，分别收集，所以是稳定的。

算法描述

• 步骤1：取得数组中的最大数，并取得位数；
• 步骤2：arr为原始数组，从最低位开始取每个位组成radix数组；
• 步骤3：对radix进行计数排序（利用计数排序适用于小范围数的特点）；
  代码实现

private static void radixSort(int[] arr) {
	//求出待排数的最大数
	int maxLength=0;
	for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
		if(maxLength<arr[i])
		maxLength = arr[i];
	}
	//根据最大数求最大长度
	maxLength = (maxLength+"").length();

    //用于暂存数据的数组
    int[][] temp = new int[10][arr.length];
    //用于记录temp数组中每个桶内存的数据的数量
    int[] counts = new int[10];
    //用于记录每个数的i位数
    int num = 0;
    //用于取的元素需要放的位置
    int index = 0;
    //根据最大长度决定排序的次数
    for (int i = 0,n=1; i < maxLength; i++,n*=10) {
        for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
            num = arr[j]/n%10;
            temp[num][counts[num]] = arr[j];
            counts[num]++;
        }

        //从temp中取元素重新放到arr数组中
        for (int j = 0; j < counts.length; j++) {
            for (int j2 = 0; j2 < counts[j]; j2++) {
                arr[index] = temp[j][j2];
                index++;
            }
            counts[j]=0;
        }
        index=0;
    }
    System.out.println(Arrays.toString(arr));
}

基数排序 vs 计数排序 vs 桶排序

这三种排序算法都利用了桶的概念，但对桶的使用方法上有明显差异：

• 基数排序： 根据键值的每位数字来分配桶
• 计数排序： 每个桶只存储单一键值
• 桶排序： 每个桶存储一定范围的数值