排序算法总结（含链表）

jerry6092024-10-08 11:42

排序算法

1. 比较排序算法

这些排序算法基于元素之间的比较进行排序，最常见的几种有：

1.1. 冒泡排序（Bubble Sort）

  • 工作原理：相邻的元素两两比较，较大的元素冒泡到最后，重复这一过程，直到整个数组有序。
  • 时间复杂度：最优 O(n)，最差 O(n²)，平均 O(n²)。
  • 特点：简单但效率较低，适合小规模数据。

1.2. 选择排序（Selection Sort）

  • 工作原理：每次从未排序的部分中选择最小（或最大）的元素，将其放到已排序部分的末尾，重复这一过程。
  • 时间复杂度：最优 O(n²)，最差 O(n²)，平均 O(n²)。
  • 特点：相比冒泡排序，减少了交换次数，但仍然效率不高。

1.3. 插入排序（Insertion Sort）

  • 工作原理：每次将一个未排序的元素插入到已排序的部分中，直到整个数组有序。
  • 时间复杂度：最优 O(n)，最差 O(n²)，平均 O(n²)。
  • 特点：在数据基本有序时表现优异，适合小规模数据。

1.4. 希尔排序（Shell Sort）

  • 工作原理：基于插入排序的改进，通过比较相隔一定间隔的元素（逐步缩小间隔）来进行多次插入排序。
  • 时间复杂度：平均 O(n log n) 到 O(n²)，最差 O(n²)。
  • 特点：改进了插入排序的效率，适合中等规模的数据。

1.5. 归并排序（Merge Sort）

  • 工作原理：采用分治法，将数组递归地分成两部分，分别排序后合并。
  • 时间复杂度：最优、最差和平均都是 O(n log n)。
  • 特点：稳定排序，适合大规模数据排序，但需要 O(n) 的额外空间。

1.6. 快速排序（Quick Sort）

  • 工作原理：选择一个基准元素，将数组分成两部分，一部分小于基准，一部分大于基准，递归地对两部分进行排序。
  • 时间复杂度：最优 O(n log n)，最差 O(n²)，平均 O(n log n)。
  • 特点：效率高，尤其在数据量大时，最常用的排序算法之一，但不稳定。

1.7. 堆排序（Heap Sort）

  • 工作原理：将数组看作完全二叉树，调整为最大（最小）堆，然后依次取出堆顶元素。
  • 时间复杂度：最优、最差和平均都是 O(n log n)。
  • 特点：不需要额外空间，适合需要较高空间效率的场景。

2. 非比较排序算法

这些排序算法并不依赖元素之间的比较来确定顺序，因此可以突破 O(n log n) 的时间复杂度。

2.1. 计数排序（Counting Sort）

  • 工作原理：适用于已知范围的整数，计算每个数出现的次数，然后按次数重构数组。
  • 时间复杂度 ：最优、最差和平均都是 O(n + k)，其中 k 是数值范围。
  • 特点：非常快，但受限于数据的取值范围，适合整数排序。

2.2. 基数排序（Radix Sort）

  • 工作原理：将数按位数进行排序（从低位到高位或反过来），多次排序使用稳定的排序算法（如计数排序或桶排序）。
  • 时间复杂度 ：最优、最差和平均都是 O(n * d)，其中 d 是数字的位数。
  • 特点：适合对整数或字符串等有多位数值的数据进行排序。

2.3. 桶排序（Bucket Sort）

  • 工作原理：将数组分成多个桶，每个桶内分别排序（通常使用插入排序或其他排序算法），然后合并。
  • 时间复杂度：最优 O(n)，最差 O(n²)，平均 O(n + k)。
  • 特点：适合数据比较均匀分布的情况，适用于浮点数排序。

3. 排序算法总结

排序算法 时间复杂度（平均） 时间复杂度（最优） 时间复杂度（最差） 空间复杂度 稳定性
冒泡排序 O(n²) O(n) O(n²) O(1) 稳定
选择排序 O(n²) O(n²) O(n²) O(1) 不稳定
插入排序 O(n²) O(n) O(n²) O(1) 稳定
希尔排序 O(n log n) O(n log² n) O(n²) O(1) 不稳定
归并排序 O(n log n) O(n log n) O(n log n) O(n) 稳定
快速排序 O(n log n) O(n log n) O(n²) O(log n) 不稳定
堆排序 O(n log n) O(n log n) O(n log n) O(1) 不稳定
计数排序 O(n + k) O(n + k) O(n + k) O(k) 稳定
桶排序 O(n + k) O(n) O(n²) O(n + k) 稳定
基数排序 O(n * d) O(n * d) O(n * d) O(n + k) 稳定

4. 选择排序算法的依据

不同的排序算法在不同的场景下有各自的优缺点，选择时可以考虑以下因素：

  • 数据规模：数据量大时，时间复杂度低的算法（如快速排序、归并排序、堆排序）更为适合。
  • 数据特点：对于整数、小范围数据，计数排序和基数排序有很好的表现；数据接近有序时，插入排序的表现优异。
  • 稳定性需求：如果排序后需要保持相同值的元素的相对顺序，必须选择稳定的排序算法，如归并排序、插入排序等。

1. 冒泡排序（Bubble Sort）

cpp 复制代码 
void bubbleSort(std::vector<int>& arr) {
    int n = arr.size();
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        bool swapped = false;
        for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                std::swap(arr[j], arr[j + 1]);
                swapped = true;
            }
        }
        // 如果没有交换，说明数组已排序
        if (!swapped) break;
    }
}

2. 选择排序（Selection Sort）

cpp 复制代码 
void selectionSort(std::vector<int>& arr) {
    int n = arr.size();
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        int minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < n; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        std::swap(arr[i], arr[minIndex]);
    }
}

3. 插入排序（Insertion Sort）

  • 通用
cpp 复制代码 
void insertionSort(std::vector<int>& arr) {
    int n = arr.size();
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        int key = arr[i];
        int j = i - 1;
        // 将元素逐个比较并插入到合适位置
        while (j >= 0 && arr[j] > key) {
            arr[j + 1] = arr[j];
            j--;
        }
        arr[j + 1] = key;
    }
}
  • 链表

链表中的插入排序实现步骤：

  1. 创建一个新的已排序链表。
  2. 逐个遍历原链表，将每个节点插入到新链表的正确位置。
  3. 保持新链表始终是有序的。

插入排序的时间复杂度为 O(n²)，适合小规模链表或基本有序的链表。

cpp 复制代码

4. 希尔排序（Shell Sort）

cpp 复制代码 
void shellSort(std::vector<int>& arr) {
    int n = arr.size();
    for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {
        for (int i = gap; i < n; i++) {
            int temp = arr[i];
            int j;
            for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap) {
                arr[j] = arr[j - gap];
            }
            arr[j] = temp;
        }
    }
}

5. 归并排序（Merge Sort）

  • 通用
cpp 复制代码 
void merge(std::vector<int>& arr, int left, int mid, int right) {
    int n1 = mid - left + 1;
    int n2 = right - mid;

    std::vector<int> L(n1), R(n2);

    for (int i = 0; i < n1; i++) L[i] = arr[left + i];
    for (int i = 0; i < n2; i++) R[i] = arr[mid + 1 + i];

    int i = 0, j = 0, k = left;
    while (i < n1 && j < n2) {
        if (L[i] <= R[j]) {
            arr[k] = L[i];
            i++;
        } else {
            arr[k] = R[j];
            j++;
        }
        k++;
    }

    while (i < n1) {
        arr[k] = L[i];
        i++;
        k++;
    }

    while (j < n2) {
        arr[k] = R[j];
        j++;
        k++;
    }
}

void mergeSort(std::vector<int>& arr, int left, int right) {
    if (left < right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        mergeSort(arr, left, mid);
        mergeSort(arr, mid + 1, right);
        merge(arr, left, mid, right);
    }
}
  • 链表中的归并排序

链表中的归并排序实现步骤：

涉及到链表元素变动的一般都有哨兵节点；

  1. 使用快慢指针（slow 和 fast）找到链表的中间节点，将链表分成两半。
  2. 递归地对两部分进行排序。
  3. 合并两个已排序的链表。

注意：

查找中心点的while循环，得根据fast的初始值来进行设计，如果fast=head,则可以用fast→next&&fast→next→next

cpp 复制代码 
struct ListNode{
	int val;
	ListNode* next;
	ListNode(int x): val(x),next(nullptr){}
};
class Solution{
	public:
			ListNode* mergeSort(ListNode* head){
					if(!head || !head->next) return head;
					ListNode* slow = head;
					ListNode* fast = head->next;
					//找中心点
					while(fast&&fast->next){
						slow = slow->next;
						fast = fast->next->next;
					}
					// 分左右
					ListNode* mid = slow->next;
					//断开左右
					slow->next = nullptr;
					//递归左右，得到左右子链表
					ListNode* rightHead = mergeSort(mid);
					ListNode* leftHead = mergeSort(head);
					//合并两个排序的子链表
					return merge(leftHead,rightHead);			
			 }
		private:
				ListNode* merge(ListNode* l,ListNode* r){
					ListNode dummy(0);
					ListNode* cur = &dummy;			
					while(l&&r){
						if(l->val<r-val){
							cur->next = l;
							l = l->next;
						}else{
							cur->next = r;
							r = r->next;
						}
						cur = cur->next;
					}
					cur->next = l1?l1:l2;
					return dummy.next;
				}
}

6. 快速排序（Quick Sort）

  • 通用
cpp 复制代码 
int partition(std::vector<int>& arr, int low, int high) {
    int pivot = arr[high];
    int i = low - 1;
    for (int j = low; j < high; j++) {
        if (arr[j] < pivot) {
            i++;
            std::swap(arr[i], arr[j]);
        }
    }
    std::swap(arr[i + 1], arr[high]);
    return i + 1;
}

void quickSort(std::vector<int>& arr, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int pi = partition(arr, low, high);
        quickSort(arr, low, pi - 1);
        quickSort(arr, pi + 1, high);
    }
}
  • 链表

链表中的快速排序实现步骤：

  1. 选择一个基准元素（通常选择链表的头节点）。
  2. 将链表分为三个部分：小于基准的元素，等于基准的元素，大于基准的元素。
  3. 递归地对"小于基准"的部分和"大于基准"的部分进行排序。
  4. 最后将三部分合并。

注意：

递归的开头一定是判断，如果递归的是快慢那么一定是!head||!head→next

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    ListNode* quickSort(ListNode* head) {
        if (!head || !head->next) return head;

        // Partition the list into three parts
        ListNode* pivot = head;
        ListNode* lessHead = new ListNode(0), *greaterHead = new ListNode(0);
        ListNode* less = lessHead, *greater = greaterHead, *equal = pivot;
        ListNode* curr = head->next;

        while (curr) {
            if (curr->val < pivot->val) {
                less->next = curr;
                less = less->next;
            } else if (curr->val > pivot->val) {
                greater->next = curr;
                greater = greater->next;
            } else {
                equal->next = curr;
                equal = equal->next;
            }
            curr = curr->next;
        }
				//断开链表
        less->next = nullptr;
        greater->next = nullptr;
        equal->next = nullptr;

        // Recursively sort the less and greater partitions
        ListNode* sortedLess = quickSort(lessHead->next);
        ListNode* sortedGreater = quickSort(greaterHead->next);

        // Combine all parts together
        return combine(sortedLess, pivot, sortedGreater);
    }

private:
    ListNode* combine(ListNode* less, ListNode* pivot, ListNode* greater) {
        ListNode dummy(0), *tail = &dummy;

        if (less) {
            tail->next = less;
            //将tail排到尾巴
            while (tail->next) tail = tail->next;
        }

        tail->next = pivot;
        //将tail放到尾巴
        while (tail->next) tail = tail->next;

        tail->next = greater;
        return dummy.next;
    }
};

7. 堆排序（Heap Sort）

cpp 复制代码 
void heapify(std::vector<int>& arr, int n, int i) {
    int largest = i;
    int left = 2 * i + 1;
    int right = 2 * i + 2;

    if (left < n && arr[left] > arr[largest])
        largest = left;

    if (right < n && arr[right] > arr[largest])
        largest = right;

    if (largest != i) {
        std::swap(arr[i], arr[largest]);
        heapify(arr, n, largest);
    }
}

void heapSort(std::vector<int>& arr) {
    int n = arr.size();

    // 构建最大堆
    for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--)
        heapify(arr, n, i);

    // 依次从堆中取出元素
    for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
        std::swap(arr[0], arr[i]);
        heapify(arr, i, 0);
    }
}

8. 计数排序（Counting Sort）

cpp 复制代码 
void countingSort(std::vector<int>& arr) {
    if (arr.empty()) return;

    int maxVal = *max_element(arr.begin(), arr.end());
    int minVal = *min_element(arr.begin(), arr.end());
    int range = maxVal - minVal + 1;

    std::vector<int> count(range, 0), output(arr.size());

    // 计数
    for (int i = 0; i < arr.size(); i++)
        count[arr[i] - minVal]++;

    // 累积计数
    for (int i = 1; i < count.size(); i++)
        count[i] += count[i - 1];

    // 构建输出数组
    for (int i = arr.size() - 1; i >= 0; i--) {
        output[count[arr[i] - minVal] - 1] = arr[i];
        count[arr[i] - minVal]--;
    }

    // 将排序后的结果复制回原数组
    for (int i = 0; i < arr.size(); i++)
        arr[i] = output[i];
}

9. 基数排序（Radix Sort）

cpp 复制代码 
void countingSortForRadix(std::vector<int>& arr, int exp) {
    int n = arr.size();
    std::vector<int> output(n), count(10, 0);

    // 计数
    for (int i = 0; i < n; i++)
        count[(arr[i] / exp) % 10]++;

    // 累积计数
    for (int i = 1; i < 10; i++)
        count[i] += count[i - 1];

    // 构建输出数组
    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        output[count[(arr[i] / exp) % 10] - 1] = arr[i];
        count[(arr[i] / exp) % 10]--;
    }

    // 复制回原数组
    for (int i = 0; i < n; i++)
        arr[i] = output[i];
}

void radixSort(std::vector<int>& arr) {
    int maxVal = *max_element(arr.begin(), arr.end());

    // 基数排序
    for (int exp = 1; maxVal / exp > 0; exp *= 10)
        countingSortForRadix(arr, exp);
}

10. 桶排序（Bucket Sort）

cpp 复制代码 
void bucketSort(std::vector<float>& arr) {
    int n = arr.size();
    std::vector<std::vector<float>> buckets(n);

    // 将元素分配到桶
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int bucketIndex = n * arr[i];
        buckets[bucketIndex].push_back(arr[i]);
    }

    // 对每个桶内的元素进行排序
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        std::sort(buckets[i].begin(), buckets[i].end());
    }

    // 合并所有桶中的元素
    int index = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < buckets[i].size(); j++) {
            arr[index++] = buckets[i][j];
        }
    }
}
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