java双路快速排序的实现

Posted 2021-01-02 蔡苗

        为什么要有双路快速排序？当要排序的数组有大量的重复的话，如果只是单路的话，大量的重复值会在两个分割数组中其中的一个，这样在极端情况下退化成O(n^2)级别，对排序性能有较大的影响。当要排序的数组存在大量的重复值的时候，我们可以采取双路法进行快速排序。即两个指针移动，一端比分界值小就继续移动，一端比分界值大就继续移动，出现不满足彼此条件的情况就交换，这样相等的值就会比较均匀分布在数组的两端。

     具体java代码实现如下值：

package com.newtouch.data.sort;

import com.newtouch.data.test.SortTestHelper;

public class QuickSortTwoWays {


    private static int partition(Comparable[] arr, int l, int r) {

        // 随机在arr[l...r]的范围中, 选择一个数值作为标定点pivot
        swap(arr, l, (int) (Math.random() * (r - l + 1)) + l);

        Comparable v = arr[l];
        //随机在arr[l...r]的范围中，选择一个数值作为标定点pivot
        int i = l + 1, j = r;
        while (true) {
            // 注意这里的边界, arr[i].compareTo(v) < 0, 不能是arr[i].compareTo(v) <= 0
            while (i <= r && arr[i].compareTo(v) < 0)
                i++;
            // 注意这里的边界, arr[j].compareTo(v) > 0, 不能是arr[j].compareTo(v) >= 0
            // 思考一下为什么?
            while (j >= l + 1 && arr[j].compareTo(v) > 0)
                j--;
            if (j > j)
                break;
            swap(arr, i, j);
            i++;
            j--;
        }
        swap(arr, l, j);
        return j;
    }

    // 递归使用快速排序,对arr[l...r]的范围进行排序
    private static void sort(Comparable[] arr, int l, int r) {
        int p = partition(arr, l, r);
        sort(arr, l, p - 1);
        sort(arr, p + 1, r);
    }

    public static void sort(Comparable[] arr) {

        int n = arr.length;
        sort(arr, 0, n - 1);
    }


    private static void swap(Object[] arr, int i, int j) {
        Object t = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = t;
    }


    // 测试 QuickSort
    public static void main(String[] args) {

        // 双路快速排序算法也是一个O(nlogn)复杂度的算法
        // 可以在1秒之内轻松处理100万数量级的数据
        int N = 1000000;
        Integer[] arr = SortTestHelper.generateRandomArray(N, 0, 100000);

    SortTestHelper.testSort("com.newtouch.data.sort.QuickSortTwoWays", arr);
}

   测试辅助类：

package com.newtouch.data.test;

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.Class;
import java.util.Random;

public class SortTestHelper {

    // SortTestHelper不允许产生任何实例
    private SortTestHelper() {
    }

    // 生成有n个元素的随机数组,每个元素的随机范围为[rangeL, rangeR]
    public static Integer[] generateRandomArray(int n, int rangeL, int rangeR) {

        assert rangeL <= rangeR;

        Integer[] arr = new Integer[n];

        for (int i = 0; i < n; i++)
            arr[i] = new Integer((int) (Math.random() * (rangeR - rangeL + 1) + rangeL));
        return arr;
    }

    // 生成一个近乎有序的数组
    // 首先生成一个含有[0...n-1]的完全有序数组, 之后随机交换swapTimes对数据
    // swapTimes定义了数组的无序程度:
    // swapTimes == 0 时, 数组完全有序
    // swapTimes 越大, 数组越趋向于无序
    public static Integer[] generateNearlyOrderedArray(int n, int swapTimes) {

        Integer[] arr = new Integer[n];
        for (int i = 0; i < n; i++)
            arr[i] = new Integer(i);

        for (int i = 0; i < swapTimes; i++) {
            int a = (int) (Math.random() * n);
            int b = (int) (Math.random() * n);
            int t = arr[a];
            arr[a] = arr[b];
            arr[b] = t;
        }

        return arr;
    }

    // 打印arr数组的所有内容
    public static void printArray(Object[] arr) {

        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i]);
            System.out.print(‘ ‘);
        }
        System.out.println();

        return;
    }

    // 判断arr数组是否有序
    public static boolean isSorted(Comparable[] arr) {

        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++)
            if (arr[i].compareTo(arr[i + 1]) > 0)
                return false;
        return true;
    }

    // 测试sortClassName所对应的排序算法排序arr数组所得到结果的正确性和算法运行时间
    public static void testSort(String sortClassName, Comparable[] arr) {

        // 通过Java的反射机制，通过排序的类名，运行排序函数
        try {
            // 通过sortClassName获得排序函数的Class对象
            Class sortClass = Class.forName(sortClassName);
            // 通过排序函数的Class对象获得排序方法
            Method sortMethod = sortClass.getMethod("sort", new Class[]{Comparable[].class});
            // 排序参数只有一个，是可比较数组arr
            Object[] params = new Object[]{arr};

            long startTime = System.currentTimeMillis();
            // 调用排序函数
            sortMethod.invoke(null, params);
            long endTime = System.currentTimeMillis();

            assert isSorted(arr);

            System.out.println(sortClass.getSimpleName() + " : " + (endTime - startTime) + "ms");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}