Java 三路快排

三路快速排序（3-Way QuickSort ）是快速排序的优化版本，特别适用于处理包含大量重复元素的数组 。其核心思想是将数组划分为三个区域：小于基准值 、等于基准值 和大于基准值，从而减少不必要的递归和交换

三路快排原理

1. 分区逻辑：

   • 使用三个指针 lt（less than）、current（当前遍历位置）、gt（greater than）将数组划分为三部分：

     • [low, lt-1]：小于基准值的元素

     • [lt, gt]：等于基准值的元素

     • [gt+1, high]：大于基准值的元素

   • 通过一次遍历，将元素分配到正确区域。

2. 时间复杂度：

   • 平均 ：O(n log n)

   • 最坏 （大量重复元素时）：O(n)（优于传统快排的 O(n²)）

Java 实现代码

public class ThreeWayQuickSort {

    public static void sort(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length <= 1) return;
        threeWayQuickSort(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    private static void threeWayQuickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low >= high) return;

        // 选择基准值（这里选第一个元素）
        int pivot = arr[low];
        int lt = low;      // 小于 pivot 的右边界
        int gt = high;     // 大于 pivot 的左边界
        int current = low; // 当前遍历指针

        while (current <= gt) {
            if (arr[current] < pivot) {
                swap(arr, lt, current);
                lt++;
                current++;
            } else if (arr[current] > pivot) {
                swap(arr, current, gt);
                gt--;
            } else {
                current++;
            }
        }

        // 递归处理小于和大于区域
        threeWayQuickSort(arr, low, lt - 1);
        threeWayQuickSort(arr, gt + 1, high);
    }

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

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
        sort(arr);
        System.out.println(Arrays.toString(arr)); 
        // 输出: [1, 1, 2, 3, 3, 4, 5, 5, 5, 6, 9]
    }
}

关键步骤解析

1. 初始化指针：

   • lt 指向数组起始位置（low），gt 指向数组末尾（high），current 从 low 开始遍历。

2. 遍历与交换：

   • 如果 arr[current] < pivot：将 current 与 lt 处的元素交换，lt 和 current 均右移。

   • 如果 arr[current] > pivot：将 current 与 gt 处的元素交换，gt 左移（current 不移动，因为交换后的新元素需要再次检查）。

   • 如果 arr[current] == pivot：直接移动 current 指针。

3. 递归处理子数组：

   • 对 [low, lt-1]（小于区域）和 [gt+1, high]（大于区域）递归排序，中间区域 [lt, gt] 已经有序。

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示例流程

假设初始数组为 [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5]，基准值 pivot=3：

1. 第一次分区后：

   • 小于区域：[1, 1, 2]

   • 等于区域：[3, 3]

   • 大于区域：[4, 5, 9, 6, 5, 5]

2. 递归排序小于区域 [1, 1, 2] 和大于区域 [4, 5, 9, 6, 5, 5]。

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优势与适用场景

• 优势：

  • 高效处理重复元素，避免传统快排的重复递归。

  • 减少元素交换次数。

• 适用场景：

  • 数组中存在大量重复元素（如日志数据、用户行为数据）。

  • 需要稳定排序但允许非稳定实现的情况。