快速排序采用的思想是分而治之。
1)将一整个大的无序序数组,根据数组中的某一个值,将数组分成两部分,一部分比这个值小,一部分比这个值大。
2)然后再对这两部分各自进行同样的操作,而当每一部分都有序之后,整个数组也就有序了。
从第二点,我们很明显可以想到递归,那么关键点就是前面怎么分这个数组了。
比较经典的分法有两种,今天就先说最常用的一种,首先看下面这一个图:
1)首先要有两个指针,一个从最前面开始,一个从最后面开始。
2)将数组中第一个元素拿出来,作为一个基准数来比较,比它大的,扔到后面,比它小的扔前面。而由于将它拿出来了,它原先所处的位置就空出来了,如图上的11。
3)从数组后面开始往前扫描,拿值与基准数比较,如果比基准数小,则将它放到数组中空出来的位置,也就是 i 当前的位置了。如图中,第一个 j 的值就是10,比基准数11,则将它放到a[i],此时 i 的值是0,而a[i]是空出来的位置,那么 i 被放了,我们就要把 i 的指针往前移一位,而由于 j 的值被放到前面去了,此时 j 的位置就空出来了。
4)反过来,从 i 的位置从前开始往后扫,扫到 i = 2的时候,发现a[i] 是 12,比11大,那么就要把 12放到a[j]中,如上面第2步所示,而当j的位置被放了值了,那么j 就要往前移一位,而此时i的位置又空出来了,我们就可以重复第 3) 步的操作,再从后往前扫。
5)到最后,我们发现i 跟 j 相遇了,那么说明 j 后面的数都比基准数大,而i 前面的数都比基准数小了,那么最后就把基准数11 重新放到这个空出来的位置。
6)可以发现,这样一趟下来,这个数组就变成以11为界的左小右大的数组了,在这里一拆,再对各个部分进行同样的操作,最终就是排序的结果了。
根据这样的思路,我们也就可以写出如下代码了:
public static int partition(int[] a, int low, int high) {
int i = low;
int j = high;
int tmp = a[low];
while (i < j) {
while (i < j && a[j] >= tmp) {
j--;
}
if (i < j) {
a[i] = a[j];
i++;
}
while (i < j && a[i] <= tmp) {
i++;
}
if (i < j) {
a[j] = a[i];
j--;
}
}
a[i] = tmp;
return i;
}
然后再对进行递归操作,如下:
public static void quickSort(int[] a, int low, int high){
if(low < high){
int mid = partition(a, low, high);
quickSort(a, low, mid - 1);
quickSort(a, mid + 1, high);
}
}
接下来我们来验证一下这种写法的正确性:
public static void main(String[] args) {
int[] a = { 11, 9, 12, 7, 4, 57, 44, 23, 10 };
printA(a);
quickSort(a, 0, a.length - 1);
printA(a);
然后看看输出:
Before: 11 9 12 7 4 57 44 23 10
round 1 : 10 9 4 7 11 57 44 23 12
round 2 : 7 9 4 10 11 57 44 23 12
round 3 : 4 7 9 10 11 57 44 23 12
round 4 : 4 7 9 10 11 12 44 23 57
round 5 : 4 7 9 10 11 12 44 23 57
round 6 : 4 7 9 10 11 12 23 44 57
After: 4 7 9 10 11 12 23 44 57
我们可以看到,round 1 的结果,就是我们上面图示中的结果了。
这个对几个数进行比较,那如果我们对很多数呢,也来试一下吧,看看它是不是真的那么快速呢?
我们生成2千万个数,每个数都在1亿以内,如下:
int[] a = Helper.generateRandomNumbers(20000000, 100000000);
long start = System.currentTimeMillis();
quickSort(a, 0, a.length - 1);
long end = System.currentTimeMillis();
long duration = end - start;
Helper.print("duration = " + duration + "\n");
可以看到它的时间是:
duration = 3753
不过不小心手贱,我又在后面调用多了一次quicksort,等于是对一个有序的数组来进行快速排序,然后它就stackoverflow了,如下:
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.lms.QuickSort.quickSort(QuickSort.java:48)
at com.lms.QuickSort.quickSort(QuickSort.java:50)
at com.lms.QuickSort.quickSort(QuickSort.java:50)
at com.lms.QuickSort.quickSort(QuickSort.java:50)
at com.lms.QuickSort.quickSort(QuickSort.java:50)
这说明采用递归来干活,还是要想想会不会栈压得太深,导致栈溢出。那么,我们就要想想非递归应该怎么做了。
其实递归也就是压栈出栈,那么我们就拿栈来实现不就好了吗?
public static void quickSort3(int[] a, int low , int high){
Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
stack.push(low);
stack.push(high);
int i,j;
while(!stack.isEmpty()){
j = stack.pop();
i = stack.pop();
if(j < i) break;
int mid = partition2(a, i, j);
if(mid - 1 > i){
stack.push(i);
stack.push(mid - 1);
}
if(mid + 1 < j){
stack.push(mid + 1);
stack.push(j);
}
}
}
再来调用一下看看:
int[] a = { 11, 9, 12, 7, 4, 57, 44, 23, 10 };
Helper.print("Before: ");printA(a);
quickSort3(a, 0, a.length - 1);
Helper.print("After: ");printA(a);
看一下结果:
Before: 11 9 12 7 4 57 44 23 10
After: 4 7 9 10 11 12 23 44 57
嗯,好像是对的。
public static void main(String[] args) {
int[] a = Helper.generateRandomNumbers(20000000, 100000000);
long start = System.currentTimeMillis();
quickSort3(a, 0, a.length - 1);
long end = System.currentTimeMillis();
long duration = end - start;
Helper.print("duration = " + duration + "\n");
duration = 10343
然后再手贱一下,对有序超大数组再排序,发现没溢出了,但是跑了好久好久。。。
有兴趣的童鞋还能够再看看下一章关于另一种经典的拆分函数: