Java編程怎么實現(xiàn)快速排序及優(yōu)化

本篇內(nèi)容主要講解“Java編程怎么實現(xiàn)快速排序及優(yōu)化”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“Java編程怎么實現(xiàn)快速排序及優(yōu)化”吧!

普通快速排序

找一個基準值base，然后一趟排序后讓base左邊的數(shù)都小于base，base右邊的數(shù)都大于等于base。再分為兩個子數(shù)組的排序。如此遞歸下去。

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right) {
		if (left >= right) return;
		int p = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, p - 1);
		sort(arr, p + 1, right);
	}
	private static <T extends Comparable<? super T>> int partition(T[] arr, int left, int right) {
		T base = arr[left];
		int j = left;
		for (int i = left + 1; i <= right; i++) {
			if (base.compareTo(arr[i]) > 0) {
				j++;
				swap(arr, j, i);
			}
		}
		swap(arr, left, j);
		return j;
		//返回一躺排序后基準值的下角標
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

快速排序優(yōu)化：隨機選取基準值base

在數(shù)組幾乎有序時，快排性能不好（因為每趟排序后，左右兩個子遞歸規(guī)模相差懸殊，大的那部分最后很可能會達到O(n^2)）。

解決：基準值隨機地選取，而不是每次都取第一個數(shù)。這樣就不會受“幾乎有序的數(shù)組”的干擾了。但是對“幾乎亂序的數(shù)組”的排序性能可能會稍微下降，至少多了排序前交換的那部分，亂序時這個交換沒有意義...有很多“運氣”成分..

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right) {
		if (left >= right) return;
		int p = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, p - 1);
		sort(arr, p + 1, right);
	}
	private static <T extends Comparable<? super T>> int partition(T[] arr, int left, int right) {
		//排序前，先讓基準值和隨機的一個數(shù)進行交換。這樣，基準值就有隨機性。
		//就不至于在數(shù)組相對有序時，導致左右兩邊的遞歸規(guī)模不一致，產(chǎn)生最壞時間復雜度
		swap(arr,left,(int)(Math.random()*(right - left + 1)+left));
		T base = arr[left];
		int j = left;
		for (int i = left + 1; i <= right; i++) {
			if (base.compareTo(arr[i]) > 0) {
				j++;
				swap(arr, j, i);
			}
		}
		swap(arr, left, j);
		return j;
		//返回一躺排序后，基準值的下角標
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

快速排序繼續(xù)優(yōu)化：配合著使用插入排序

快排是不斷減小問題規(guī)模來解決子問題的，需要不斷遞歸。但是遞歸到規(guī)模足夠小時，如果繼續(xù)采用這種 不穩(wěn)定+遞歸 的方式執(zhí)行下去，效率不見得會很好。

所以當問題規(guī)模較小時，近乎有序時，插入排序表現(xiàn)的很好。Java自帶的Arrays.sort()里經(jīng)常能看到這樣的注釋：“Use insertion sort on tiny arrays”，“Insertion sort on smallest arrays”

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1, 16);
	}
	/**
   * @param arr  待排序的數(shù)組
   * @param left 左閉
   * @param right 右閉
   * @param k   當快排遞歸到子問題的規(guī)模 <= k 時，采用插入排序優(yōu)化
   * @param <T>  泛型，待排序可比較類型
   */
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right, int k) {
		// 規(guī)模小時采用插入排序
		if (right - left <= k) {
			insertionSort(arr, left, right);
			return;
		}
		int p = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, p - 1, k);
		sort(arr, p + 1, right, k);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void insertionSort(T[] arr, int l, int r) {
		for (int i = l + 1; i <= r; i++) {
			T cur = arr[i];
			int j = i - 1;
			for (; j >= 0 && cur.compareTo(arr[j]) < 0; j--) {
				arr[j + 1] = arr[j];
			}
			arr[j + 1] = cur;
		}
	}
	private static <T extends Comparable<? super T>> int partition(T[] arr, int left, int right) {
		//排序前，先讓基準值和隨機的一個數(shù)進行交換。這樣，基準值就有隨機性。
		//就不至于在數(shù)組相對有序時，導致左右兩邊的遞歸規(guī)模不一致，產(chǎn)生最壞時間復雜度
		swap(arr, left, (int) (Math.random() * (right - left + 1) + left));
		T base = arr[left];
		int j = left;
		for (int i = left + 1; i <= right; i++) {
			if (base.compareTo(arr[i]) > 0) {
				j++;
				swap(arr, j, i);
			}
		}
		swap(arr, left, j);
		return j;
		//返回一躺排序后，基準值的下角標
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

快速排序繼續(xù)優(yōu)化：兩路快排

在最開始的普通快速排序說過，讓基準值base左邊的都比base小，而base右邊的都大于等于base。等于base的這些會聚集到右側(cè)(或者稍微改改大小關(guān)系就會聚集到左側(cè))。總之就會聚集到一邊。這樣在數(shù)組中重復數(shù)字很多的時候，就又會導致兩邊子遞歸規(guī)模差距懸殊的情況。這時想把等于base的那些數(shù)分派到base兩邊，而不是讓他們聚集到一起。

（注：測試代碼的時候，最好把插入排序那部分注視掉，向我下面代碼中那樣...不然數(shù)據(jù)量小于k=16的時候執(zhí)行的是插入排序.....）

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1, 16);
	}
	/**
   * @param arr  待排序的數(shù)組
   * @param left 左閉
   * @param right 右閉
   * @param k   當快排遞歸到子問題的規(guī)模 <= k 時，采用插入排序優(yōu)化
   * @param <T>  泛型，待排序可比較類型
   */
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right, int k) {
		// 規(guī)模小時采用插入排序
		//    if (right - left <= k) {
		//      insertionSort(arr, left, right);
		//      return;
		//    }
		if (left >= right) return;
		int p = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, p - 1, k);
		sort(arr, p + 1, right, k);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void insertionSort(T[] arr, int l, int r) {
		for (int i = l + 1; i <= r; i++) {
			T cur = arr[i];
			int j = i - 1;
			for (; j >= 0 && cur.compareTo(arr[j]) < 0; j--) {
				arr[j + 1] = arr[j];
			}
			arr[j + 1] = cur;
		}
	}
	private static <T extends Comparable<? super T>> int partition(T[] arr, int left, int right) {
		//排序前，先讓基準值和隨機的一個數(shù)進行交換。這樣，基準值就有隨機性。
		//就不至于在數(shù)組相對有序時，導致左右兩邊的遞歸規(guī)模不一致，產(chǎn)生最壞時間復雜度
		swap(arr, left, (int) (Math.random() * (right - left + 1) + left));
		T base = arr[left];
		//基準值，每次都把這個基準值拋出去，看成[left+1.....right]左閉右閉區(qū)間的排序
		int i = left + 1;
		//對于上一行提到的[left+1.....right]區(qū)間，i表示 [left+1......i)左閉右開區(qū)間的值都小于等于base。
		int j = right;
		//對于上二行提到的[left+1.....right]區(qū)間，j表示 (j......right]左開右閉區(qū)間的值都大于等于base。
		while (true) {
			//從左到右掃描，掃描出第一個比base大的元素，然后i停在那里。
			while (i <= right && arr[i].compareTo(base) < 0) i++;
			//從右到左掃描，掃描出第一個比base小的元素，然后j停在那里。
			while (j >= left && arr[j].compareTo(base) > 0) j--;
			if (i > j) {
				//雖說是i>j，但其實都是以j=i-1為條件結(jié)束的
				break;
			}
			swap(arr, i++, j--);
		}
		swap(arr, left, j);
		return j;
		//返回一躺排序后，基準值的下角標
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

快速排序繼續(xù)優(yōu)化：兩路快排 不用swap,用交換

上面的兩路在找到大于base的值和小于base的值時，用的是swap()方法來進行交換。兩數(shù)交換涉及到第三個變量temp的操作，多了讀寫操作。接下來用直接賦值的方法，把小于的放到右邊，大于的放到左邊，當i和j相遇時，那個位置就是base該放的地方。至此一趟完成。遞歸即可。

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1, 16);
	}
	/**
   * @param arr  待排序的數(shù)組
   * @param left 左閉
   * @param right 右閉
   * @param k   當快排遞歸到子問題的規(guī)模 <= k 時，采用插入排序優(yōu)化
   * @param <T>  泛型，待排序可比較類型
   */
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right, int k) {
		// 規(guī)模小時采用插入排序
		//    if (right - left <= k) {
		//      insertionSort(arr, left, right);
		//      return;
		//    }
		if (left >= right) return;
		int p = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, p - 1, k);
		sort(arr, p + 1, right, k);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void insertionSort(T[] arr, int l, int r) {
		for (int i = l + 1; i <= r; i++) {
			T cur = arr[i];
			int j = i - 1;
			for (; j >= 0 && cur.compareTo(arr[j]) < 0; j--) {
				arr[j + 1] = arr[j];
			}
			arr[j + 1] = cur;
		}
	}
	private static <T extends Comparable<? super T>> int partition(T[] arr, int left, int right) {
		//排序前，先讓基準值和隨機的一個數(shù)進行交換。這樣，基準值就有隨機性。
		//就不至于在數(shù)組相對有序時，導致左右兩邊的遞歸規(guī)模不一致，產(chǎn)生最壞時間復雜度
		swap(arr, left, (int) (Math.random() * (right - left + 1) + left));
		T base = arr[left];
		//基準值，每次都把這個基準值拋出去，看成[left+1.....right]左閉右閉區(qū)間的排序
		int i = left;
		//對于上一行提到的[left+1.....right]區(qū)間，i表示 [left+1......i)左閉右開區(qū)間的值都小于等于base。
		int j = right;
		//對于上二行提到的[left+1.....right]區(qū)間，j表示 (j......right]左開右閉區(qū)間的值都大于等于base。
		while (i < j) {
			//從右到左掃描，掃描出第一個比base小的元素，然后j停在那里。
			while (j > i && arr[j].compareTo(base) > 0) j--;
			arr[i] = arr[j];
			//從左到右掃描，掃描出第一個比base大的元素，然后i停在那里。
			while (i < j && arr[i].compareTo(base) < 0) i++;
			arr[j] = arr[i];
		}
		arr[j] = base;
		return j;
		//返回一躺排序后，基準值的下角標
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

快速排序繼續(xù)優(yōu)化：當大量數(shù)據(jù)，且重復數(shù)多時，用三路快排

把數(shù)組分為三路，第一路都比base小，第二路都等于base，第三路都大于base。

用指針從前到后掃描，如果：

1.cur指向的數(shù)小于base，那么：交換arr[cur]和arr[i]的值，然后i++,cur++。

2.cur指向的數(shù)等于base,那么：cur++

3.cur指向的數(shù)大于base，那么：交換arr[cur]和arr[j]的值，然后j--。

當cur>j的時候說明三路都已經(jīng)完成。

public class QuickSort {
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr) {
		sort(arr, 0, arr.length - 1, 16);
	}
	/**
   * @param arr  待排序的數(shù)組
   * @param left 左閉
   * @param right 右閉
   * @param k   當快排遞歸到子問題的規(guī)模 <= k 時，采用插入排序優(yōu)化
   * @param <T>  泛型，待排序可比較類型
   */
	public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(T[] arr, int left, int right, int k) {
		// 規(guī)模小時采用插入排序
		//    if (right - left <= k) {
		//      insertionSort(arr, left, right);
		//      return;
		//    }
		if (left >= right) return;
		int[] ret = partition(arr, left, right);
		sort(arr, left, ret[0], k);
		sort(arr, ret[1], right, k);
	}
	public static <T extends Comparable<? super T>> void insertionSort(T[] arr, int l, int r) {
		for (int i = l + 1; i <= r; i++) {
			T cur = arr[i];
			int j = i - 1;
			for (; j >= 0 && cur.compareTo(arr[j]) < 0; j--) {
				arr[j + 1] = arr[j];
			}
			arr[j + 1] = cur;
		}
	}
	/**
   * @param arr  待排序的數(shù)組
   * @param left 待排序數(shù)組的左邊界
   * @param right 待排序數(shù)組的右邊界
   * @param <T>  泛型
   * @return
   */
	private static <T extends Comparable<? super T>> int[] partition(T[] arr, int left, int right) {
		//排序前，先讓基準值和隨機的一個數(shù)進行交換。這樣，基準值就有隨機性。
		//就不至于在數(shù)組相對有序時，導致左右兩邊的遞歸規(guī)模不一致，產(chǎn)生最壞時間復雜度
		swap(arr, left, (int) (Math.random() * (right - left + 1) + left));
		T base = arr[left];
		//基準值，每次都把這個基準值拋出去，看成[left+1.....right]左閉右閉區(qū)間的排序
		//三路快排分為下面這三個路(區(qū)間)
		int i = left;
		// left表示，[lleft...left) 左閉右開區(qū)間里的數(shù)都比base小
		int j = right;
		// left表示，(rright...right] 左開右閉區(qū)間里的數(shù)都比base大
		int cur = i;
		//用cur來遍歷數(shù)組。[left...cur)左閉右開區(qū)間里的數(shù)都等于base
		while (cur <= j) {
			if (arr[cur].compareTo(base) == 0) {
				cur++;
			} else if (arr[cur].compareTo(base) < 0) {
				swap(arr, cur++, i++);
			} else {
				swap(arr, cur, j--);
			}
		}
		return new int[]{i - 1, j + 1};
		//[i...j]都等于base,子問題就只需要解決i左邊和j右邊就行了
	}
	public static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
		if (i != j) {
			Object temp = arr[i];
			arr[i] = arr[j];
			arr[j] = temp;
		}
	}
	private static void printArr(Object[] arr) {
		for (Object o : arr) {
			System.out.print(o);
			System.out.print("\t");
		}
		System.out.println();
	}
	public static void main(String args[]) {
		Integer[] arr = {3, 5, 1, 7, 2, 9, 8, 0, 4, 6};
		printArr(arr);
		//3  5  1  7  2  9  8  0  4  6
		sort(arr);
		printArr(arr);
		//0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
	}
}

到此，相信大家對“Java編程怎么實現(xiàn)快速排序及優(yōu)化”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學習！