Java排序算法之<希尔排序>

目录

1、希尔排序介绍

1.1、定义

1.2、核心思想

2、希尔排序的流程

[第 1 轮:gap = 4](#第 1 轮:gap = 4)

[第 2 轮:gap = 2](#第 2 轮:gap = 2)

[第 3 轮:gap = 1](#第 3 轮:gap = 1)

3、希尔排序的实现

4、时间复杂度分析

5、希尔排序的优缺点

6、适用场景


前言

**希尔排序(Shell Sort)**是一种基于插入排序的高效排序算法,由 Donald Shell 在 1959 年提出。

gap(间隔)是希尔排序的核心,它决定了如何将数组分成若干子序列进行插入排序。

  • 初始 gap 较大 (如 n/2),逐步缩小,直到 gap = 1(此时就是普通插入排序)。

  • 每次按 gap 分组后,对每组进行独立的插入排序。

gap的作用:

  1. gap 的作用

    • 控制分组的间隔,让元素能"长距离跳跃",减少后续操作次数。
  2. 子序列的划分

    • 每隔 gap 个元素取一个值,形成一组,组内进行插入排序。
  3. 为什么快?

    • 大步长让数据快速接近有序,小步长最终精细化调整。

1、希尔排序介绍

1.1、定义

它通过引入分组间隔(gap)来优化插入排序的性能,使得元素能够更快地移动到正确的位置,从而减少比较和交换的次数。

1.2、核心思想

1、分组插入排序

将整个数组按照一定的间隔(gap)分成若干子序列,对每个子序列进行插入排序。

2、逐步缩小间隔

随着排序的进行,gap 不断缩小,直到 gap = 1(此时相当于普通的插入排序)。

3、最终排序

当 gap = 1 时,数组已经基本有序,插入排序的效率会非常高(接近 O(n))。

为什么比普通插入排序快?

插入排序在数据基本有序时效率很高(接近 O(n)),但在完全逆序时效率很低(O(n²))。

希尔排序通过先让数据"大致有序"再执行插入排序,从而显著提高性能。


2、希尔排序的流程

如下图所示:

示例:

  1. 选择一个 gap 序列 (如 n/2, n/4, ..., 1)。

  2. 对每个 gap 值,将数组分成若干子序列,并对每个子序列进行插入排序。

  3. 逐步缩小 gap,重复上述过程,直到 gap = 1 完成最终排序。

示例(gap = 4, 2, 1):

复制代码
原始数组:[8, 3, 6, 2, 1, 9, 5, 7, 4]

假设数组为 [8, 3, 6, 2, 1, 9, 5, 7, 4],长度为 n = 9

我们以 Shell 原始序列gap = n/2, n/4, ..., 1)为例:

第 1 轮:gap = 4

  • 将数组按间隔 4 分组,即每隔 4 个元素取一个元素,形成子序列:

    • 子序列 1:arr[0], arr[4], arr[8][8, 1, 4]

    • 子序列 2:arr[1], arr[5][3, 9](因为 arr[9] 越界,停止)

    • 子序列 3:arr[2], arr[6][6, 5]

    • 子序列 4:arr[3], arr[7][2, 7]

  • 对每个子序列进行插入排序

    • [8, 1, 4][1, 4, 8]

    • [3, 9][3, 9](已有序)

    • [6, 5][5, 6]

    • [2, 7][2, 7](已有序)

  • 排序后数组

    将子序列按原位置写回数组:

    • arr[0]=1, arr[4]=4, arr[8]=8[1, 3, 5, 2, 4, 9, 6, 7, 8]

第 2 轮:gap = 2

  • 按间隔 2 分组

    • 子序列 1:arr[0], arr[2], arr[4], arr[6], arr[8][1, 5, 4, 6, 8]

    • 子序列 2:arr[1], arr[3], arr[5], arr[7][3, 2, 9, 7]

  • 插入排序

    • [1, 5, 4, 6, 8][1, 4, 5, 6, 8](交换 5 和 4)

    • [3, 2, 9, 7][2, 3, 7, 9](交换 3 和 2,然后 9 和 7)

  • 排序后数组[1, 2, 4, 3, 5, 7, 6, 9, 8]

第 3 轮:gap = 1

  • 此时就是普通插入排序,但数组已基本有序:

    • i=1 开始,逐个将元素插入到左侧已排序部分。

    • 最终结果:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]


3、希尔排序的实现

代码示例如下:

java 复制代码
import java.util.Arrays;

public class ShellSort {

    /**
     * 希尔排序(Shell Sort)
     * @param arr 待排序数组
     */
    public static void shellSort(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length <= 1) {
            return; // 如果数组为空或长度≤1,无需排序
        }

        int n = arr.length;

        // 1. 初始化间隔(gap),这里使用 Shell 原始序列:n/2, n/4, ..., 1
        for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {

            // 2. 对每个子序列进行插入排序(从 gap 开始,逐步向右扫描)
            for (int i = gap; i < n; i++) {
                int temp = arr[i]; // 当前待插入元素
                int j;

                // 3. 插入排序逻辑:比 temp 大的元素向后移动
                for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap) {
                    arr[j] = arr[j - gap]; // 较大的元素后移
                }

                // 4. 将 temp 插入到正确位置
                arr[j] = temp;
            }

            // (可选)打印每轮排序后的数组,方便理解过程
            System.out.println("Gap = " + gap + ": " + Arrays.toString(arr));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {8, 3, 6, 2, 1, 9, 5, 7, 4};
        System.out.println("原始数组: " + Arrays.toString(arr));

        shellSort(arr);

        System.out.println("排序后数组: " + Arrays.toString(arr));
    }
}

关键步骤说明

  1. 初始化间隔(gap)

    • 初始 gap = n / 2(Shell 原始序列),之后每次缩小为 gap / 2,直到 gap = 1

    • 例如,数组长度 n = 9,则 gap 序列为 4 → 2 → 1

  2. 子序列插入排序

    • i = gap 开始,逐步向右扫描,对每个子序列进行插入排序。

    • 示例gap = 4):

      • 子序列 1:arr[0], arr[4], arr[8](即 8, 1, 4 → 排序后 1, 4, 8

      • 子序列 2:arr[1], arr[5](即 3, 9 → 排序后 3, 9

      • 子序列 3:arr[2], arr[6](即 6, 5 → 排序后 5, 6

      • 子序列 4:arr[3], arr[7](即 2, 7 → 排序后 2, 7

  3. 插入排序逻辑

    • 类似普通插入排序,但步长是 gap 而不是 1

    • 如果 arr[j - gap] > temp,则向后移动元素。

  4. 插入最终位置

    • temp 放到正确的位置 arr[j]

输出:

bash 复制代码
原始数组: [8, 3, 6, 2, 1, 9, 5, 7, 4]
Gap = 4: [1, 3, 5, 2, 4, 9, 6, 7, 8]
Gap = 2: [1, 2, 4, 3, 5, 7, 6, 9, 8]
Gap = 1: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
排序后数组: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

4、时间复杂度分析

如下所示:

常见 gap 序列的影响:

  • Shell 原始序列(n/2, n/4, ..., 1):最坏 O(n²)。

  • Hibbard 序列(1, 3, 7, 15, ..., 2^k -1):最坏 O(n^(3/2))。

  • Knuth 序列(1, 4, 13, 40, ..., (3^k -1)/2):平均 O(n^(3/2))。

Java 的 Arrays.sort() 在特定情况下会使用希尔排序的变种(如 TimSort 结合插入排序优化)。


5、希尔排序的优缺点

1、优点

  • 比普通插入排序快,尤其是对中等规模数据(n ≤ 10⁴)。

  • 原地排序,空间复杂度 O(1)。

  • 适用于部分有序数据,性能接近 O(n)。

2、缺点

  • 不稳定排序(可能改变相同元素的相对顺序)。

  • 时间复杂度依赖 gap 序列,选择不当可能退化到 O(n²)。


6、适用场景

  • 中小规模数据排序(比插入排序更快,比快速排序/归并排序更节省内存)。

  • 嵌入式系统或内存受限环境(因为它是原地排序)。

  • 部分有序数据(性能接近线性时间)。


总结

  • 希尔排序是插入排序的优化版本,通过分组排序减少元素移动次数。

  • 时间复杂度介于 O(n log n) ~ O(n²),取决于 gap 序列的选择。

  • 适用于中小规模数据,在特定情况下比快速排序/归并排序更高效。

如果你需要对中等规模数据进行排序,并且希望节省内存,希尔排序是一个不错的选择!


参考文章:

1、六大排序算法:插入排序、希尔排序、选择排序、冒泡排序、堆排序、快速排序-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_50886514/article/details/119045154?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%25220faf03d22b2d125d5f49a4649ad59c85%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=0faf03d22b2d125d5f49a4649ad59c85&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~top_positive~default-1-119045154-null-null.142^v102^control&utm_term=%E5%86%92%E6%B3%A1%E6%8E%92%E5%BA%8F&spm=1018.2226.3001.4187

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