穩定排序和不穩定排序全解答

轉自：http://www.cnblogs.com/codingmylife/archive/2012/10/21/2732980.html

這幾天筆試了好幾次了，連續碰到一個關于常見排序算法穩定性判别的問題，往往還是多選，對于我以及和我一樣拿不準的同學可不是一個能輕易下結論的題目，當然如果你筆試之前已經記住了資料結構書上哪些是穩定的，哪些不是穩定的，做起來應該可以輕松搞定。本文是針對老是記不住這個或者想真正明白到底為什麼是穩定或者不穩定的人準備的。

      首先，排序算法的穩定性大家應該都知道，通俗地講就是能保證排序前2個相等的數其在序列的前後位置順序和排序後它們兩個的前後位置順序相同。在簡單形式化一下，如果Ai = Aj，Ai原來在位置前，排序後Ai還是要在Aj位置前。

      其次，說一下穩定性的好處。排序算法如果是穩定的，那麼從一個鍵上排序，然後再從另一個鍵上排序，第一個鍵排序的結果可以為第二個鍵排序所用。基數排序就是這樣，先按低位排序，逐次按高位排序，低位相同的元素其順序再高位也相同時是不會改變的。另外，如果排序算法穩定，對基于比較的排序算法而言，元素交換的次數可能會少一些（個人感覺，沒有證明）。

回到主題，現在分析一下常見的排序算法的穩定性，每個都給出簡單的理由。

(1)冒泡排序

冒泡排序就是把小的元素往前調或者把大的元素往後調。比較是相鄰的兩個元素比較，交換也發生在這兩個元素之間。是以，如果兩個元素相等，我想你是不會再無聊地把他們倆交換一下的；如果兩個相等的元素沒有相鄰，那麼即使通過前面的兩兩交換把兩個相鄰起來，這時候也不會交換，是以相同元素的前後順序并沒有改變，是以冒泡排序是一種穩定排序算法。

(2)選擇排序

選擇排序是給每個位置選擇目前元素最小的，比如給第一個位置選擇最小的，在剩餘元素裡面給第二個元素選擇第二小的，依次類推，直到第n - 1個元素，第n個元素不用選擇了，因為隻剩下它一個最大的元素了。那麼，在一趟選擇，如果目前元素比一個元素小，而該小的元素又出現在一個和目前元素相等的元素後面，那麼交換後穩定性就被破壞了。比較拗口，舉個例子，序列5 8 5 2 9，我們知道第一遍選擇第1個元素5會和2交換，那麼原序列中2個5的相對前後順序就被破壞了，是以選擇排序不是一個穩定的排序算法。

(3)插入排序 

插入排序是在一個已經有序的小序列的基礎上，一次插入一個元素。當然，剛開始這個有序的小序列隻有1個元素，就是第一個元素。比較是從有序序列的末尾開始，也就是想要插入的元素和已經有序的最大者開始比起，如果比它大則直接插入在其後面，否則一直往前找直到找到它該插入的位置。如果碰見一個和插入元素相等的，那麼插入元素把想插入的元素放在相等元素的後面。是以，相等元素的前後順序沒有改變，從原無序序列出去的順序就是排好序後的順序，是以插入排序是穩定的。

(4)快速排序 

快速排序有兩個方向，左邊的i下标一直往右走，當a[i] <= a[center_index]，其中center_index是中樞元素的數組下标，一般取為數組第0個元素。而右邊的j下标一直往左走，當a[j] > a[center_index]。如果i和j都走不動了，i <= j，交換a[i]和a[j],重複上面的過程，直到i > j。 交換a[j]和a[center_index]，完成一趟快速排序。在中樞元素和a[j]交換的時候，很有可能把前面的元素的穩定性打亂，比如序列為5 3 3 4 3 8 9 10 11，現在中樞元素5和3（第5個元素，下标從1開始計）交換就會把元素3的穩定性打亂，是以快速排序是一個不穩定的排序算法，不穩定發生在中樞元素和a[j] 交換的時刻。

(5)歸并排序 

歸并排序是把序列遞歸地分成短序列，遞歸出口是短序列隻有1個元素（認為直接有序）或者2個序列（1次比較和交換），然後把各個有序的段序列合并成一個有序的長序列，不斷合并直到原序列全部排好序。可以發現，在1個或2個元素時，1個元素不會交換，2個元素如果大小相等也沒有人故意交換，這不會破壞穩定性。那麼，在短的有序序列合并的過程中，穩定是是否受到破壞？沒有，合并過程中我們可以保證如果兩個目前元素相等時，我們把處在前面的序列的元素儲存在結果序列的前面，這樣就保證了穩定性。是以，歸并排序也是穩定的排序算法。

(6)基數排序 

基數排序是按照低位先排序，然後收集；再按照高位排序，然後再收集；依次類推，直到最高位。有時候有些屬性是有優先級順序的，先按低優先級排序，再按高優先級排序，最後的次序就是高優先級高的在前，高優先級相同的低優先級高的在前。基數排序基于分别排序，分别收集，是以其是穩定的排序算法。

(7)希爾排序(shell) 

希爾排序是按照不同步長對元素進行插入排序，當剛開始元素很無序的時候，步長最大，是以插入排序的元素個數很少，速度很快；當元素基本有序了，步長很小， 插入排序對于有序的序列效率很高。是以，希爾排序的時間複雜度會比O(n^2)好一些。由于多次插入排序，我們知道一次插入排序是穩定的，不會改變相同元素的相對順序，但在不同的插入排序過程中，相同的元素可能在各自的插入排序中移動，最後其穩定性就會被打亂，是以shell排序是不穩定的。

(8)堆排序 

我們知道堆的結構是節點i的孩子為2 * i和2 * i + 1節點，大頂堆要求父節點大于等于其2個子節點，小頂堆要求父節點小于等于其2個子節點。在一個長為n 的序列，堆排序的過程是從第n / 2開始和其子節點共3個值選擇最大（大頂堆）或者最小（小頂堆），這3個元素之間的選擇當然不會破壞穩定性。但當為n / 2 - 1， n / 2 - 2， ... 1這些個父節點選擇元素時，就會破壞穩定性。有可能第n / 2個父節點交換把後面一個元素交換過去了，而第n / 2 - 1個父節點把後面一個相同的元素沒 有交換，那麼這2個相同的元素之間的穩定性就被破壞了。是以，堆排序不是穩定的排序算法。

綜上，得出結論: 選擇排序、快速排序、希爾排序、堆排序不是穩定的排序算法，而冒泡排序、插入排序、歸并排序和基數排序是穩定的排序算法