Java经典算法之快速排序算法

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目录

前言

1. 快速排序简介

2. 快速排序的基本原理

2.1 选择基准元素

2.2 分割操作

2.3 递归排序

3. Java中的快速排序实现

4.时空复杂度

4.1 时间复杂度：

4.2 空间复杂度：

4.3 总结：

5.优缺点

5.1 优点：

5.2 缺点：

6.现实中的应用

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前言

快速排序算法可以分为两部分来看：

第一部分：将枢轴元素移动到最终位置

第二部分：分别处理枢轴元素左右两边的元素

tips:上面的第一、二步是不断递归的过程。读者可以去某站看一下王道的数据结构课

建议：1.学习算法最重要的是理解算法的每一步，而不是记住算法。

           2.建议读者学习算法的时候，自己手动一步一步地运行算法。

1. 快速排序简介

快速排序是一种分治法（Divide and Conquer）的排序算法，由英国计算机科学家Tony Hoare于1960年提出。其基本思想是通过一趟排序将待排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有元素均比另一部分的元素小，然后分别对这两部分继续进行排序，最终达到整个序列有序的效果。

2. 快速排序的基本原理

快速排序的基本原理可以总结为以下三个步骤：

2.1 选择基准元素

从待排序的数组中选择一个元素作为基准元素。选择基准元素的方式有多种，常见的方法包括选择第一个元素、最后一个元素或者随机选择一个元素。

2.2 分割操作

将数组中比基准元素小的元素移到基准元素的左边，比基准元素大的元素移到右边。这个过程称为分割操作。

2.3 递归排序

递归地对基准元素左右两侧的子数组进行快速排序。

3. Java中的快速排序实现

下面是一个简单的Java实现快速排序的例子：

public class QuickSort {

    public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low < high) {
            // 找到划分点
            int pivotIndex = partition(arr, low, high);

            // 递归地对左右两部分进行快速排序
            quickSort(arr, low, pivotIndex - 1);
            quickSort(arr, pivotIndex + 1, high);
        }
    }

    private static int partition(int[] arr, int low, int high) {
        // 选择最后一个元素作为基准
        int pivot = arr[high];
        int i = (low - 1);  // 小于基准值的索引

        for (int j = low; j < high; j++) {
            // 当前元素小于或等于基准值时
            if (arr[j] <= pivot) {
                i++;

                // 交换元素，使得小于基准值的元素移到左边
                int temp = arr[i];
                arr[i] = arr[j];
                arr[j] = temp;
            }
        }

        // 把基准值放到正确的位置上（即i+1）
        int temp = arr[i + 1];
        arr[i + 1] = arr[high];
        arr[high] = temp;

        return i + 1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arrayToSort = {9, 7, 5, 11, 12, 2, 14, 3, 10, 6};
        int n = arrayToSort.length;
        quickSort(arrayToSort, 0, n - 1);

        System.out.println("Sorted array: ");
        for (int num : arrayToSort) {
            System.out.print(num + " ");
        }
    }
}

在上述代码中：

• quickSort 方法是用于递归调用的主要方法，它接受数组、以及待排序区间的起始和结束索引。
• partition 方法负责执行分区操作，返回基准元素最终应该所在的位置。
• 在 partition 方法内部，使用了一个指针 i 来跟踪小于基准值的所有元素的边界，并通过遍历整个区间来进行元素的移动和交换，最后确保基准元素处于正确位置，并返回其索引。

通过这样的方式，快速排序能够以平均时间复杂度为 的效率完成对数据的排序。

4.时空复杂度

4.1 时间复杂度：

• 最好情况（平均情况）： 当每次划分都能将数组大致均等地分为两部分时，快速排序的时间复杂度为 ，其中n是待排序数组中的元素个数。这是由于每次递归调用都会减少问题规模大约一半，并且需要层递归。

• 最坏情况： 在最坏情况下，即输入数组已经有序或接近有序时，每次划分只能将数组划分为一个元素和剩余元素两部分，这会导致递归树退化为线性结构，时间复杂度上升到 。不过，通过随机化选择基准元素或采用三数取中等优化方法，可以在实际应用中避免这种情况的发生，使得快速排序在实践中通常能保持接近其平均时间复杂度。

4.2 空间复杂度：

• 原地排序： 快速排序在理想情况下只需要常数级别的额外空间，即空间复杂度为 O(1)。这是因为交换操作可以直接在原数组上进行，不需要额外存储空间。

• 递归栈空间： 然而，在实际实现中，快速排序是递归实现的，因此递归调用会占用一定的栈空间。在最坏的情况下，递归深度可达 n 层，所以空间复杂度可能达到 。然而，在平均情况下，由于快速排序的平衡特性，递归树的高度约为，故空间复杂度通常是。

4.3 总结：

总结来说，快速排序在理想情况下具有非常高的效率，尤其在处理大型数据集时表现出色。但要注意的是，对于小规模数据或者近乎有序的数据，其他排序算法（如插入排序）可能会更优。同时，为了保证算法性能稳定，通常会对基准元素的选择进行优化以减小最坏情况发生的概率。

5.优缺点

5.1 优点：

1. 高效性：

   • 在平均情况下，快速排序的时间复杂度为，这使得它在处理大规模数据时表现出极高的效率，并且是实践中最快的通用内部排序算法之一。

2. 原地排序（In-place）：

   • 快速排序不需要额外的存储空间来保存临时数组，只需要一个很小的栈空间用于递归调用，所以空间复杂度在理想情况下可以达到。

3. 广泛应用：

   • 由于其高效的性能和灵活的实现，快速排序被广泛应用于实际系统中的各种排序场景，尤其是在内存受限或需要实时排序的情况下。

4. 适应性强：

   • 对于不同的输入数据分布有较好的适应性，尤其是当采用随机化版本选择基准元素时，能有效地避免最坏情况的发生。

5. 易于理解与实现：

   • 基本思想简单直观，通过分治策略将大问题划分为小问题，便于理解和编程实现。

5.2 缺点：

1. 最坏情况下的性能：

   • 当待排序的数据已经部分有序或者完全有序时，快速排序可能退化成的时间复杂度。不过，可以通过优化基准元素的选择（例如三数取中、随机化选取等方法）来减少这种情况发生的概率。

2. 不稳定排序：

   • 快速排序不是稳定的排序算法，即相等元素的相对顺序可能会在排序过程中改变。

3. 递归深度：

   • 由于使用了递归，如果数据规模很大且递归树不平衡时，可能会导致栈溢出的问题。虽然通过尾递归优化或其他非递归实现方式可以缓解这个问题，但这也增加了实现的复杂性。

4. 边界条件处理：

   • 对于非常小的数据集（如小于一定阈值），快速排序可能不如插入排序等其他简单的排序算法高效，因此通常会结合其他算法进行混合排序以提升整体性能。

6.现实中的应用

快速排序算法在现实中的应用非常广泛，因其高效性、通用性和易于实现的特点，被大量用于各种软件和硬件系统中。以下是一些典型的应用场景：

1. 数据处理与分析：

   • 在大数据处理、数据分析以及数据库管理系统中，快速排序是内部排序操作的核心算法之一，尤其适用于大规模数据集的排序，比如SQL查询语句执行过程中的ORDER BY子句。

2. 编程语言标准库：

   • 许多现代编程语言的标准库或内置函数都包含了快速排序算法，例如Java的Arrays类、C++的std::sort函数等，为开发者提供了现成的排序工具。

3. 操作系统内核：

   • 操作系统内核在处理内存管理、文件系统排序目录结构、进程调度时可能使用快速排序或其他优化过的排序算法来提高效率。

4. 机器学习与人工智能：

   • 在机器学习领域，快速排序可应用于特征选择、模型训练前的数据预处理阶段，例如对输入样本进行排序以构建更高效的索引结构。

5. 编译器优化：

   • 编译器在符号表管理和代码生成阶段，可能会用到快速排序对变量名、函数名等进行排序，以加速查找和比较操作。

6. 科学计算与工程应用：

   • 在数值计算、信号处理、图像处理等领域，快速排序可用于数组和矩阵元素的排序，尤其是在处理稀疏矩阵和大型向量时。

7. 嵌入式系统与实时系统：

   • 尽管快速排序在最坏情况下的性能不理想，但在许多实际应用中通过随机化选取基准值等方法可以有效避免性能退化，因此也被用于嵌入式系统或实时系统的数据排序。

8. 竞赛编程与算法研究：

   • 在ACM国际大学生程序设计竞赛（ACM-ICPC）以及其他算法竞赛中，快速排序作为基础排序算法，经常出现在解题方案中。

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_56154577/article/details/136596325
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