排序算法——快速排序

代码仓库： 1037827920/AlgorithmZoo

快速排序

算法步骤

选择基准元素，从数组中选择一个元素作为基准，通常选择方式有：
- 第一个元素
- 最后一个元素
- 中间元素
- 随机选择
分区操作，将数组元素根据基准分为两部分，一部分小于基准，另一部分大于基准
递归排序，对基准左边和右边的子数组都进行快速排序，每次递归都会进行分区操作
终止条件：当子数组的大小为1或0时，也就是左指针索引大于等于右指针索引时，递归终止

时间复杂度

平均情况： O(N logN)

假设每次分区操作都能把数组划分成大约两半，这样递归的深度大概就是logN（以2为底，每次除以2，直到除到1，就是递归深度，如log8=3，如果每次对半分，8个元素递归深度为3），所以时间复杂度为O(logN)

每一层递归都需要对数组进行分区操作，这个通过for循环可以看出时间复杂度为O(N)

因此平均情况的时间复杂度为O(NlogN)

最坏情况： O(N^2)

每次选择的基准元素总是数据中的最大或最小元素，如果是这样，分区操作会把数组分成一个空数组和一个包含所有其余元素的数组，递归深度会达到N，每次递归减少一个元素。分区操作复杂度也为O(N)，所以最坏情况的时间复杂度为O(N^2)

稳定性

当两个相等的元素在排序后保持原来的相对顺序，说明这个排序算法是稳定的。

而快速排序不是稳定的排序算法

举个具体的例子，对数组[5, 2, 5]进行分区操作，选择第二个5作为基准，对数组进行遍历，第一个5保持不变，2会跟第一个5交换位置([2, 5, 5])，然后要把基准放到正确的位置（这时候小于基准的元素的索引是0，+1后是基准要放置的索引），所以第一个5会跟第二个5进行交换，这时候两个相等的元素已经不是原来的相对顺序了，所以快速排序不是稳定的

C++

c++ 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cmath>
#include <concepts>

using std::vector;
using std::swap;
using std::cout;
using std::endl;
using std::totally_ordered;

// 快速排序的分区函数
template<totally_ordered T>
int partition(vector<T>& arr, size_t left, size_t right) {
    // 选择最右边的元素作为基准
    T pivot = arr[right];
    // 小于基准的元素的索引
    size_t i = left;

    // 遍历数组
    // 将小于基准的元素放到左边
    // 将大于基准的元素放到右边
    for (size_t j = left; j < right; ++j) {
        if (arr[j] < pivot) {
            swap(arr[i], arr[j]);
            ++i;
        }
    }

    // 将基准元素放到正确的位置
    swap(arr[i], arr[right]);
    // 返回基准元素的索引
    return i;
}

template<totally_ordered T>
void quick_sort(vector<T>& arr, size_t left, size_t right) {
    if (left < right) {
        // 分区操作
        size_t pivot_index = partition<T>(arr, left, right);

        // 对两边进行递归
        quick_sort(arr, left, pivot_index - 1);
        quick_sort(arr, pivot_index + 1, right);
    }
}

int main() {
    vector<int> arr = { 10, 7, 8, 9, 1, 5 };

    quick_sort<int>(arr, 0, arr.size() - 1);

    for (const auto& num : arr) {
        cout << num << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

C

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void swap(int* a, int* b) {
    int tmp = *b;
    *b = *a;
    *a = tmp;
}

int partition(int* arr, int left, int right) {
    // 确定基准元素
    int pivot = arr[right];
    // 小于基准的元素的索引
    int i = left;

    for (int j = left; j < right; ++j) {
        if (arr[j] < pivot) {
            swap(&arr[i], &arr[j]);
            i++;
        }
    }

    // 将基准元素放到正确的位置
    swap(&arr[i], &arr[right]);
    // 返回基准元素的索引
    return i;
}

void quick_sort(int* arr, int left, int right) {
    if (left < right) {
        int pivot_index = partition(arr, left, right);
        quick_sort(arr, left, pivot_index - 1);
        quick_sort(arr, pivot_index + 1, right);
    }
}

int main() {
    int* arr = (int*)malloc(6 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "malloc failed\n");
        return 1;
    }

    arr[0] = 10;
    arr[1] = 7;
    arr[2] = 8;
    arr[3] = 9;
    arr[4] = 1;
    arr[5] = 5;

    quick_sort(arr, 0, 5);

    for (int i = 0; i < 6; ++i) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    free(arr);
    return 0;
}

Rust

rust 复制代码

use std::vec::Vec;

// 快速排序的分区函数
fn partition<T: PartialOrd + Copy>(arr: &mut Vec<T>, left: usize, right: usize) -> usize {
    // 选择最右边的元素作为基准
    let pivot = arr[right as usize];
    // 小于基准的元素的索引
    let mut i = left;

    // 遍历数组
    // 将小于基准的元素放到左边
    // 将大于基准的元素放到右边
    for j in left..right {
        if arr[j] < pivot {
            arr.swap(i, j);
            i += 1;
        }
    }

    // 将基准元素放到正确的位置
    arr.swap(i, right);
    // 返回基准元素的索引
    i
}

// 快排函数
fn quick_sort<T: PartialOrd + Copy>(arr: &mut Vec<T>, left: usize, right: usize) {
    if left < right {
        // 分区操作
        let pivot_index = partition(arr, left, right);
        // 对两边执行递归
        quick_sort(arr, left, pivot_index - 1);
        quick_sort(arr, pivot_index + 1, right);
    }
}

fn main() {
    let mut arr = vec![10, 7, 8, 9, 1, 5];
    let len = arr.len();

    quick_sort(&mut arr, 0, len - 1);

    arr.iter().for_each(|x| print!("{x} "));
    println!();
}

Python

python 复制代码

# 快速排序的分区函数
def partition(arr, left, right):
    # 选择最右边的元素作为基准
    pivot = arr[right]
    # 小于基准的元素的索引
    i = left

    # 遍历数组
    # 将小于基准的元素放到左边
    # 将大于基准的元素放到右边
    for j in range(left, right):
        if arr[j] < pivot:
            arr[i], arr[j] = arr[j], arr[i]
            i += 1

    # 将基准元素放到正确的位置
    arr[i], arr[right] = arr[right], arr[i]
    # 返回基准元素的索引
    return i


# 递归函数
def quick_sort(arr, left, right):
    if left < right:
        # 分区操作
        pivot_index = partition(arr, left, right)
        # 对两边进行递归
        quick_sort(arr, left, pivot_index - 1)
        quick_sort(arr, pivot_index + 1, right)


def main():
    arr = [10, 7, 8, 9, 1, 5]

    quick_sort(arr, 0, len(arr) - 1)

    for num in arr:
        print(num, end=' ')
    print()

if __name__ == '__main__':
    main()