排序专题之 各个内外排序算法的比较

Posted 2022-11-30 纯纯的心儿

1.稳定性比较

 插入排序、冒泡排序、二叉树排序、二路归并排序及其他线形排序是稳定的

 选择排序、希尔排序、快速排序、堆排序是不稳定的

2.时间复杂性比较

 插入排序、冒泡排序、选择排序的时间复杂性为O(n2)

 其它非线形排序的时间复杂性为O(nlog2n)

 线形排序的时间复杂性为O(n);

3.辅助空间的比较

 线形排序、二路归并排序的辅助空间为O(n),其它排序的辅助空间为O(1);

4.其它比较

插入、冒泡排序的速度较慢，但参加排序的序列局部或整体有序时，

这种排序能达到较快的速度。反而在这种情况下，快速排序反而慢了。

当n较小时，对稳定性不作要求时宜用选择排序，对稳定性有要求时宜用插入或冒泡排序。

若待排序的记录的关键字在一个明显有限范围内时,且空间允许是用桶排序。

当n较大时，关键字元素比较随机，对稳定性没要求宜用快速排序。

当n较大时，关键字元素可能出现本身是有序的，对稳定性有要求时，空间允许的情况下。宜用归并排序。

当n较大时，关键字元素可能出现本身是有序的，对稳定性没有要求时宜用堆排序。

相关知识介绍（所有定义只为帮助读者理解相关概念，并非严格定义）：
1、稳定排序和非稳定排序

简单地说就是所有相等的数经过某种排序方法后，仍能保持它们在排序之前的相对次序，

我们就说这种排序方法是稳定的。

反之，就是非稳定的。比如：一组数排序前是a1,a2,a3,a4,a5，其中a2=a4，经过某种排序后a1,a2,a4,a3,a5，

则我们说这种排序是稳定的，因为a2排序前在a4的前面，排序后它还是在a4的前面。

假如变成a1,a4,a2,a3,a5就不是稳定的了。

 

2、内排序和外排序

在排序过程中，所有需要排序的数都在内存，并在内存中调整它们的存储顺序，称为内排序；

在排序过程中，只有部分数被调入内存，并借助内存调整数在外存中的存放顺序排序方法称为外排序。

3、算法的时间复杂度和空间复杂度

所谓算法的时间复杂度，是指执行算法所需要的计算工作量。

算法的空间复杂度，一般是指执行这个算法所需要的内存空间。

================================================
功能：选择排序

输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中元素个数

算法思想简单描述：

在要排序的一组数中，选出最小的一个数与第一个位置的数交换；
然后在剩下的数当中再找最小的与第二个位置的数交换，如此循环
到倒数第二个数和最后一个数比较为止。

选择排序是不稳定的。算法复杂度O(n^2)--[n的平方]

================================================

功能：直接插入排序
输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中元素个数

算法思想简单描述：

在要排序的一组数中，假设前面(n-1) [n>=2]个数已经是排
好顺序的，现在要把第n个数插到前面的有序数中，使得这n个数
也是排好顺序的。如此反复循环，直到全部排好顺序。

直接插入排序是稳定的。算法时间复杂度O(n^2)--[n的平方]

=====================================================

功能：冒泡排序
输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中元素个数

算法思想简单描述：

在要排序的一组数中，对当前还未排好序的范围内的全部数，自上
而下对相邻的两个数依次进行比较和调整，让较大的数往下沉，较
小的往上冒。即：每当两相邻的数比较后发现它们的排序与排序要
求相反时，就将它们互换。
 
下面是一种改进的冒泡算法，它记录了每一遍扫描后最后下沉数的
位置k，这样可以减少外层循环扫描的次数。

冒泡排序是稳定的。算法时间复杂度O(n^2)--[n的平方]

================================================

功能：希尔排序
输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中元素个数

算法思想简单描述：

在直接插入排序算法中，每次插入一个数，使有序序列只增加1个节点，并对插入下一个数没有提供任何帮助。

如果比较相隔较远距离（称为增量）的数，使得数移动时能跨过多个元素，则进行一次比较就可能消除多个元素交换。

D.L.shell于1959年在以他名字命名的排序算法中实现了这一思想。

算法先将要排序的一组数按某个增量d分成若干组，每组中记录的下标相差d.对每组中全部元素进行排序

，然后再用一个较小的增量对它进行，在每组中再进行排序。当增量减到1时，整个要排序的数被分成一组，排序完成。
 
下面的函数是一个希尔排序算法的一个实现，初次取序列的一半为增量，以后每次减半，直到增量为1。

希尔排序是不稳定的。

================================================

功能：快速排序
输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中起止元素的下标

算法思想简单描述：

快速排序是对冒泡排序的一种本质改进。它的基本思想是通过一趟
扫描后，使得排序序列的长度能大幅度地减少。在冒泡排序中，一次
扫描只能确保最大数值的数移到正确位置，而待排序序列的长度可能只
减少1。快速排序通过一趟扫描，就能确保某个数（以它为基准点吧）
的左边各数都比它小，右边各数都比它大。然后又用同样的方法处理
它左右两边的数，直到基准点的左右只有一个元素为止。它是由
C.A.R.Hoare于1962年提出的。显然快速排序可以用递归实现，当然也可以用栈化解递归实现。下面的函数是用递归实现的，有兴趣的朋友可以改成非递归的。

快速排序是不稳定的。最理想情况算法时间复杂度O(nlog2n)，最坏O(n^2)--[n的平方]

================================================

功能：堆排序
输入：数组名称（也就是数组首地址）、数组中元素个数

算法思想简单描述：

堆排序是一种树形选择排序，是对直接选择排序的有效改进。 堆的定义如下：

具有n个元素的序列（h1,h2,...,hn),当且仅当满足（hi>=h2i,hi>=2i+1）或（hi<=h2i,hi<=2i+1）(i=1,2,...,n/2)时称之为堆。

在这里只讨论满足前者条件的堆。由堆的定义可以看出，堆顶元素（即第一个元素）必为最大项。完全二叉树可以很直观地表示堆的结构。

堆顶为根，其它为左子树、右子树。

初始时把要排序的数的序列看作是一棵顺序存储的二叉树，调整它们的存储序，使之成为一个堆，这时堆的根节点的数最大。

然后将根节点与堆的最后一个节点交换。然后对前面(n-1)个数重新调整使之成为堆。依此类推，直到只有两个节点 的堆，

并对它们作交换，最后得到有n个节点的有序序列。从算法描述来看，堆排序需要两个过程，一是建立堆，

二是堆顶与堆的最后一个元素交换位置。所以堆排序有两个函数组成。一是建堆的渗透函数，二是反复调用渗透函数实现排序的函数。

堆排序是不稳定的。算法时间复杂度O(nlog2n)。