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作者：郭耀華 來源：https://www.cnblogs.com/guoyaohua/p/8600214.html

最近幾天在研究排序算法，看了很多博客，發現網上有的文章中對排序算法解釋的并不是很透徹，而且有很多代碼都是錯誤的，例如有的文章中在 “桶排序” 算法中對每個桶進行排序直接使用了 Collection.sort()函數，這樣雖然能達到效果，但對于算法研究來講是不可以的。

所以我根據這幾天看的文章，整理了一個較為完整的排序算法總結，本文中的所有算法均有 JAVA 實現，經本人調試無誤后才發出，如有錯誤，請各位前輩指出。

0、排序算法說明

0.1 排序的定義

對一序列對象根據某個關鍵字進行排序。

0.2 術語說明

• 穩定：如果 a 原本在 b 前面，而 a=b，排序之后 a 仍然在 b 的前面；
• 不穩定：如果 a 原本在 b 的前面，而 a=b，排序之后 a 可能會出現在 b 的后面；
• 內排序：所有排序操作都在內存中完成；
• 外排序：由于數據太大，因此把數據放在磁盤中，而排序通過磁盤和內存的數據傳輸才能進行；
• 時間復雜度：一個算法執行所耗費的時間。
• 空間復雜度：運行完一個程序所需內存的大小。

0.3 算法總結

圖片名詞解釋：

• n: 數據規模
• k: “桶” 的個數
• In-place: 占用常數內存，不占用額外內存
• Out-place: 占用額外內存

0.4 算法分類

0.5 比較和非比較的區別

常見的快速排序、歸并排序、堆排序、冒泡排序等屬于比較排序。在排序的最終結果里，元素之間的次序依賴于它們之間的比較。每個數都必須和其他數進行比較，才能確定自己的位置。

在冒泡排序之類的排序中，問題規模為 n，又因為需要比較 n 次，所以平均時間復雜度為 O(n2)。在歸并排序、快速排序之類的排序中，問題規模通過分治法消減為 logN 次，所以時間復雜度平均 O(nlogn)。

比較排序的優勢是，適用于各種規模的數據，也不在乎數據的分布，都能進行排序。可以說，比較排序適用于一切需要排序的情況。

計數排序、基數排序、桶排序則屬于非比較排序。非比較排序是通過確定每個元素之前，應該有多少個元素來排序。針對數組 arr，計算 arr[i] 之前有多少個元素，則唯一確定了 arr[i] 在排序后數組中的位置。

非比較排序只要確定每個元素之前的已有的元素個數即可，所有一次遍歷即可解決。算法時間復雜度 O(n)。

非比較排序時間復雜度底，但由于非比較排序需要占用空間來確定唯一位置。所以對數據規模和數據分布有一定的要求。

1、冒泡排序（Bubble Sort）

冒泡排序是一種簡單的排序算法。它重復地走訪過要排序的數列，一次比較兩個元素，如果它們的順序錯誤就把它們交換過來。走訪數列的工作是重復地進行直到沒有再需要交換，也就是說該數列已經排序完成。

這個算法的名字由來是因為越小的元素會經由交換慢慢 “浮” 到數列的頂端。冒泡排序介紹：冒泡排序

1.1 算法描述

• 比較相鄰的元素。如果第一個比第二個大，就交換它們兩個；
• 對每一對相鄰元素作同樣的工作，從開始第一對到結尾的最后一對，這樣在最后的元素應該會是最大的數；
• 針對所有的元素重復以上的步驟，除了最后一個；
• 重復步驟 1~3，直到排序完成。

1.2 動圖演示

1.3 代碼實現

1.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(n) 最差情況：T(n) = O(n2) 平均情況：T(n) = O(n2)

2、選擇排序（Selection Sort）

表現最穩定的排序算法之一，因為無論什么數據進去都是 O(n2) 的時間復雜度，所以用到它的時候，數據規模越小越好。唯一的好處可能就是不占用額外的內存空間了吧。理論上講，選擇排序可能也是平時排序一般人想到的最多的排序方法了吧。

選擇排序 (Selection-sort) 是一種簡單直觀的排序算法。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，再從剩余未排序元素中繼續尋找最小（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此類推，直到所有元素均排序完畢。

2.1 算法描述

n 個記錄的直接選擇排序可經過 n-1 趟直接選擇排序得到有序結果。具體算法描述如下：

• 初始狀態：無序區為 R[1..n]，有序區為空；
• 第 i 趟排序 (i=1,2,3…n-1) 開始時，當前有序區和無序區分別為 R[1..i-1]和 R(i..n）。該趟排序從當前無序區中 - 選出關鍵字最小的記錄 R[k]，將它與無序區的第 1 個記錄 R 交換，使 R[1..i]和 R[i+1..n)分別變為記錄個數增加 1 個的新有序區和記錄個數減少 1 個的新無序區；
• n-1 趟結束，數組有序化了。

2.2 動圖演示

2.3 代碼實現

2.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(n2) 最差情況：T(n) = O(n2) 平均情況：T(n) = O(n2)

3、插入排序（Insertion Sort）

插入排序（Insertion-Sort）的算法描述是一種簡單直觀的排序算法。它的工作原理是通過構建有序序列，對于未排序數據，在已排序序列中從后向前掃描，找到相應位置并插入。插入排序在實現上，通常采用 in-place 排序（即只需用到 O(1) 的額外空間的排序），因而在從后向前掃描過程中，需要反復把已排序元素逐步向后挪位，為最新元素提供插入空間。

3.1 算法描述

一般來說，插入排序都采用 in-place 在數組上實現。具體算法描述如下：

• 從第一個元素開始，該元素可以認為已經被排序；
• 取出下一個元素，在已經排序的元素序列中從后向前掃描；
• 如果該元素（已排序）大于新元素，將該元素移到下一位置；
• 重復步驟 3，直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置；
• 將新元素插入到該位置后；
• 重復步驟 2~5。

3.2 動圖演示

3.2 代碼實現

3.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(n) 最壞情況：T(n) = O(n2) 平均情況：T(n) = O(n2)

4、希爾排序（Shell Sort）

希爾排序是希爾（Donald Shell）于 1959 年提出的一種排序算法。希爾排序也是一種插入排序，它是簡單插入排序經過改進之后的一個更高效的版本，也稱為縮小增量排序，同時該算法是沖破 O(n2）的第一批算法之一。它與插入排序的不同之處在于，它會優先比較距離較遠的元素。希爾排序又叫縮小增量排序。

希爾排序是把記錄按下表的一定增量分組，對每組使用直接插入排序算法排序；隨著增量逐漸減少，每組包含的關鍵詞越來越多，當增量減至 1 時，整個文件恰被分成一組，算法便終止。

4.1 算法描述

我們來看下希爾排序的基本步驟，在此我們選擇增量 gap=length/2，縮小增量繼續以 gap = gap/2 的方式，這種增量選擇我們可以用一個序列來表示，{n/2,(n/2)/2…1}，稱為增量序列。希爾排序的增量序列的選擇與證明是個數學難題，我們選擇的這個增量序列是比較常用的，也是希爾建議的增量，稱為希爾增量，但其實這個增量序列不是最優的。此處我們做示例使用希爾增量。

先將整個待排序的記錄序列分割成為若干子序列分別進行直接插入排序，具體算法描述：

• 選擇一個增量序列 t1，t2，…，tk，其中 ti>tj，tk=1；
• 按增量序列個數 k，對序列進行 k 趟排序；
• 每趟排序，根據對應的增量 ti，將待排序列分割成若干長度為 m 的子序列，分別對各子表進行直接插入排序。僅增量因子為 1 時，整個序列作為一個表來處理，表長度即為整個序列的長度。

4.2 過程演示

4.3 代碼實現

4.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(nlog2 n) 最壞情況：T(n) = O(nlog2 n) 平均情況：T(n) =O(nlog2n)　

5、歸并排序（Merge Sort）

和選擇排序一樣，歸并排序的性能不受輸入數據的影響，但表現比選擇排序好的多，因為始終都是 O(n log n）的時間復雜度。代價是需要額外的內存空間。

歸并排序是建立在歸并操作上的一種有效的排序算法。該算法是采用分治法（Divide and Conquer）的一個非常典型的應用。歸并排序是一種穩定的排序方法。將已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每個子序列有序，再使子序列段間有序。若將兩個有序表合并成一個有序表，稱為 2 - 路歸并。

5.1 算法描述

• 把長度為 n 的輸入序列分成兩個長度為 n/2 的子序列；
• 對這兩個子序列分別采用歸并排序；
• 將兩個排序好的子序列合并成一個最終的排序序列。

5.2 動圖演示

5.3 代碼實現

5.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(n) 最差情況：T(n) = O(nlogn) 平均情況：T(n) = O(nlogn)

6、快速排序（Quick Sort）

快速排序的基本思想：通過一趟排序將待排記錄分隔成獨立的兩部分，其中一部分記錄的關鍵字均比另一部分的關鍵字小，則可分別對這兩部分記錄繼續進行排序，以達到整個序列有序。

6.1 算法描述

快速排序使用分治法來把一個串（list）分為兩個子串（sub-lists）。具體算法描述如下：

• 從數列中挑出一個元素，稱為 “基準”（pivot）；
• 重新排序數列，所有元素比基準值小的擺放在基準前面，所有元素比基準值大的擺在基準的后面（相同的數可以到任一邊）。在這個分區退出之后，該基準就處于數列的中間位置。這個稱為分區（partition）操作；
• 遞歸地（recursive）把小于基準值元素的子數列和大于基準值元素的子數列排序。

6.2 動圖演示

6.3 代碼實現

6.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(nlogn) 最差情況：T(n) = O(n2) 平均情況：T(n) = O(nlogn)　

7、堆排序（Heap Sort）

堆排序（Heapsort）是指利用堆這種數據結構所設計的一種排序算法。堆積是一個近似完全二叉樹的結構，并同時滿足堆積的性質：即子結點的鍵值或索引總是小于（或者大于）它的父節點。

7.1 算法描述

• 將初始待排序關鍵字序列 (R1,R2….Rn) 構建成大頂堆，此堆為初始的無序區；
• 將堆頂元素 R[1]與最后一個元素 R[n]交換，此時得到新的無序區 (R1,R2,……Rn-1) 和新的有序區(Rn), 且滿足 R[1,2…n-1]<=R[n]；
• 由于交換后新的堆頂 R[1]可能違反堆的性質，因此需要對當前無序區 (R1,R2,……Rn-1) 調整為新堆，然后再次將 R[1]與無序區最后一個元素交換，得到新的無序區 (R1,R2….Rn-2) 和新的有序區(Rn-1,Rn)。不斷重復此過程直到有序區的元素個數為 n-1，則整個排序過程完成。

7.2 動圖演示

7.3 代碼實現

注意：這里用到了完全二叉樹的部分性質：

http://www.cnblogs.com/guoyaohua/p/8595289.html

7.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(nlogn) 最差情況：T(n) = O(nlogn) 平均情況：T(n) = O(nlogn)

8、計數排序（Counting Sort）

計數排序的核心在于將輸入的數據值轉化為鍵存儲在額外開辟的數組空間中。作為一種線性時間復雜度的排序，計數排序要求輸入的數據必須是有確定范圍的整數。

計數排序 (Counting sort) 是一種穩定的排序算法。計數排序使用一個額外的數組 C，其中第 i 個元素是待排序數組 A 中值等于 i 的元素的個數。然后根據數組 C 來將 A 中的元素排到正確的位置。它只能對整數進行排序。

8.1 算法描述

• 找出待排序的數組中最大和最小的元素；
• 統計數組中每個值為 i 的元素出現的次數，存入數組 C 的第 i 項；
• 對所有的計數累加（從 C 中的第一個元素開始，每一項和前一項相加）；
• 反向填充目標數組：將每個元素 i 放在新數組的第 C(i) 項，每放一個元素就將 C(i) 減去 1。

8.2 動圖演示

8.3 代碼實現

8.4 算法分析

當輸入的元素是 n 個 0 到 k 之間的整數時，它的運行時間是 O(n + k)。計數排序不是比較排序，排序的速度快于任何比較排序算法。由于用來計數的數組 C 的長度取決于待排序數組中數據的范圍（等于待排序數組的最大值與最小值的差加上 1），這使得計數排序對于數據范圍很大的數組，需要大量時間和內存。

最佳情況：T(n) = O(n+k) 最差情況：T(n) = O(n+k) 平均情況：T(n) = O(n+k)

9、桶排序（Bucket Sort）

桶排序是計數排序的升級版。它利用了函數的映射關系，高效與否的關鍵就在于這個映射函數的確定。

桶排序 (Bucket sort) 的工作的原理：假設輸入數據服從均勻分布，將數據分到有限數量的桶里，每個桶再分別排序（有可能再使用別的排序算法或是以遞歸方式繼續使用桶排序進行排

9.1 算法描述

• 人為設置一個 BucketSize，作為每個桶所能放置多少個不同數值（例如當 BucketSize==5 時，該桶可以存放｛1,2,3,4,5｝這幾種數字，但是容量不限，即可以存放 100 個 3）；
• 遍歷輸入數據，并且把數據一個一個放到對應的桶里去；
• 對每個不是空的桶進行排序，可以使用其它排序方法，也可以遞歸使用桶排序；
• 從不是空的桶里把排好序的數據拼接起來。

注意，如果遞歸使用桶排序為各個桶排序，則當桶數量為 1 時要手動減小 BucketSize 增加下一循環桶的數量，否則會陷入死循環，導致內存溢出。

9.2 圖片演示

9.3 代碼實現

9.4 算法分析

桶排序最好情況下使用線性時間 O(n)，桶排序的時間復雜度，取決與對各個桶之間數據進行排序的時間復雜度，因為其它部分的時間復雜度都為 O(n)。很顯然，桶劃分的越小，各個桶之間的數據越少，排序所用的時間也會越少。但相應的空間消耗就會增大。

最佳情況：T(n) = O(n+k) 最差情況：T(n) = O(n+k) 平均情況：T(n) = O(n2)

10、基數排序（Radix Sort）

基數排序也是非比較的排序算法，對每一位進行排序，從最低位開始排序，復雜度為 O(kn), 為數組長度，k 為數組中的數的最大的位數；

基數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；依次類推，直到最高位。有時候有些屬性是有優先級順序的，先按低優先級排序，再按高優先級排序。最后的次序就是高優先級高的在前，高優先級相同的低優先級高的在前。基數排序基于分別排序，分別收集，所以是穩定的。基數排序：基數排序

10.1 算法描述

• 取得數組中的最大數，并取得位數；
• arr 為原始數組，從最低位開始取每個位組成 radix 數組；
• 對 radix 進行計數排序（利用計數排序適用于小范圍數的特點）；

10.2 動圖演示

10.3 代碼實現

10.4 算法分析

最佳情況：T(n) = O(n * k) 最差情況：T(n) = O(n * k) 平均情況：T(n) = O(n * k)

基數排序有兩種方法：

• MSD 從高位開始進行排序
• LSD 從低位開始進行排序

基數排序 vs 計數排序 vs 桶排序

這三種排序算法都利用了桶的概念，但對桶的使用方法上有明顯差異：

• 基數排序：根據鍵值的每位數字來分配桶
• 計數排序：每個桶只存儲單一鍵值
• 桶排序：每個桶存儲一定范圍的數值

轉載于:https://www.cnblogs.com/wangdaijun/p/11461498.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的排序算法 动图讲解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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