数据结构常见八大排序算法java实现详细整理

文章目录

• 排序的分类：
• • 冒泡排序
  • 选择排序
  • 插入排序
  • 希尔排序
  • 快速排序
  • 归并排序
  • 基数排序
  • 堆排序
  • 常用排序算法总结和对比

排序的分类：

1. 内部排序:

指将需要处理的所有数据都加载到内部存储器中进行排序。

1. 外部排序法：

数据量过大，无法全部加载到内存中，需要借助外部存储进行排序。

在这里插入图片描述

冒泡排序

冒泡排序（Bubble Sorting）的基本思想是：通过对待排序序列从前向后（从下标较小的元素开始）,依次比较相邻元素的值，若发现逆序则交换，使值较大的元素逐渐从前移向后部，就象水底下的气泡一样逐渐向上冒。

因为排序的过程中，各元素不断接近自己的位置，如果一趟比较下来没有进行过交换，就说明序列有序，因此要在排序过程中设置一个标志flag判断元素是否进行过交换。从而减少不必要的比较。(这里说的优化，可以在冒泡排序写好后，在进行)

//	// 将前面额冒泡排序算法，封装成一个方法
	public static void bubbleSort(int[] arr) {
		// 冒泡排序 的时间复杂度 O(n^2), 自己写出
		int temp = 0; // 临时变量
		boolean flag = false; // 标识变量，表示是否进行过交换
		for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {

			for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
				// 如果前面的数比后面的数大，则交换
				if (arr[j] > arr[j + 1]) {
					flag = true;
					temp = arr[j];
					arr[j] = arr[j + 1];
					arr[j + 1] = temp;
				}
			}
			//System.out.println("第" + (i + 1) + "趟排序后的数组");
			//System.out.println(Arrays.toString(arr));

			if (!flag) { // 在一趟排序中，一次交换都没有发生过
				break;
			} else {
				flag = false; // 重置flag!!!, 进行下次判断
			}
		}
	}
           

选择排序

选择式排序也属于内部排序法，是从欲排序的数据中，按指定的规则选出某一元素，再依规定交换位置后达到排序的目的。

选择排序（select sorting）也是一种简单的排序方法。它的基本思想是：第一次从arr[0]–arr[n-1]中选取最小值，与arr[0]交换，第二次从arr[1]–arr[n-1]中选取最小值，与arr[1]交换，第三次从arr[2]–arr[n-1]中选取最小值，与arr[2]交换，…，第i次从arr[i-1]–arr[n-1]中选取最小值，与arr[i-1]交换，…,

第n-1次从arr[n-2]~arr[n-1]中选取最小值，与arr[n-2]交换，总共通过n-1次，得到一个按排序码从小到大排列的有序序列。

//选择排序
	public static void selectSort(int[] arr) {



		//在推导的过程，我们发现了规律，因此，可以使用for来解决
		//选择排序时间复杂度是 O(n^2)
		for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
			int minIndex = i;
			int min = arr[i];
			for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
				if (min > arr[j]) { // 说明假定的最小值，并不是最小
					min = arr[j]; // 重置min
					minIndex = j; // 重置minIndex
				}
			}

			// 将最小值，放在arr[0], 即交换
			if (minIndex != i) {  //如果minIndex = i 即i=j时 此时刚好不用交换
				arr[minIndex] = arr[i];
				arr[i] = min;
			}

			//System.out.println("第"+(i+1)+"轮后~~");
			//System.out.println(Arrays.toString(arr));// 1, 34, 119, 101
		}
	}	
           

插入排序

插入式排序属于内部排序法，是对于欲排序的元素以插入的方式找寻该元素的适当位置，以达到排序的目的。

插入排序（Insertion

Sorting）的基本思想是：把n个待排序的元素看成为一个有序表和一个无序表，开始时有序表中只包含一个元素，无序表中包含有n-1个元素，排序过程中每次从无序表中取出第一个元素，把它的排序码依次与有序表元素的排序码进行比较，将它插入到有序表中的适当位置，使之成为新的有序表。

//插入排序
	public static void insertSort(int[] arr) {
		int insertVal = 0;
		int insertIndex = 0;
		//使用for循环来把代码简化
		for(int i = 1; i < arr.length; i++) {
			//定义待插入的数
			insertVal = arr[i];
			insertIndex = i - 1; // 即arr[1]的前面这个数的下标

			// 给insertVal 找到插入的位置
			// 说明
			// 1. insertIndex >= 0 保证在给insertVal 找插入位置，不越界
			// 2. insertVal < arr[insertIndex] 待插入的数，还没有找到插入位置
			// 3. 就需要将 arr[insertIndex] 后移
			while (insertIndex >= 0 && insertVal < arr[insertIndex]) {
				arr[insertIndex + 1] = arr[insertIndex];// arr[insertIndex]
				insertIndex--;
			}
			// 当退出while循环时，说明插入的位置找到, insertIndex + 1
			// 举例：理解不了，我们一会 debug
			//这里我们判断是否需要赋值
			if(insertIndex + 1 != i) {
				arr[insertIndex + 1] = insertVal;
			}

			//System.out.println("第"+i+"轮插入");
			//System.out.println(Arrays.toString(arr));
		}
    }
           

希尔排序

简单插入排序存在的问题

我们看简单的插入排序可能存在的问题.

数组 arr = {2,3,4,5,6,1} 这时需要插入的数 1(最小), 这样的过程是：

{2,3,4,5,6,6}

{2,3,4,5,5,6}

{2,3,4,4,5,6}

{2,3,3,4,5,6}

{2,2,3,4,5,6}

{1,2,3,4,5,6}

结论: 当需要插入的数是较小的数时，后移的次数明显增多，对效率有影响.

希尔排序法介绍

希尔排序是希尔（Donald Shell）于1959年提出的一种排序算法。希尔排序也是一种插入排序，它是简单插入排序经过改进之后的一个更高效的版本，也称为缩小增量排序。

希尔排序法基本思想

希尔排序是把记录按下标的一定增量分组，对每组使用直接插入排序算法排序；随着增量逐渐减少，每组包含的关键词越来越多，当增量减至1时，整个文件恰被分成一组，算法便终止

希尔排序时， 对有序序列在插入时采用移动法（效率比交换法高）

//对交换式的希尔排序进行优化->移位法
	public static void shellSort2(int[] arr) {
		
		// 增量gap, 并逐步的缩小增量
		for (int gap = arr.length / 2; gap > 0; gap /= 2) {
			// 从第gap个元素，逐个对其所在的组进行直接插入排序
			for (int i = gap; i < arr.length; i++) {
				int j = i;
				int temp = arr[j];
				if (arr[j] < arr[j - gap]) {   //这里if语句可以不加  但是可以减少进入while循环的次数
					while (j - gap >= 0 && temp < arr[j - gap]) {
						//移动
						arr[j] = arr[j-gap];
						j -= gap;   //循环与前面的相比
					}
					//当退出while后，就给temp找到插入的位置
					arr[j] = temp;
				}

			}
		}
	}
		// 使用逐步推导的方式来编写希尔排序
	// 希尔排序时， 对有序序列在插入时采用交换法, 
	// 思路(算法) ===> 代码
	public static void shellSort(int[] arr) {
		
		int temp = 0;
		int count = 0;
		// 根据前面的逐步分析，使用循环处理
		for (int gap = arr.length / 2; gap > 0; gap /= 2) {
			for (int i = gap; i < arr.length; i++) {
				// 遍历各组中所有的元素(共gap组，每组有个元素), 步长gap
				for (int j = i - gap; j >= 0; j -= gap) {
					// 如果当前元素大于加上步长后的那个元素，说明交换
					if (arr[j] > arr[j + gap]) {
						temp = arr[j];
						arr[j] = arr[j + gap];
						arr[j + gap] = temp;
					}
				}
			}
			//System.out.println("希尔排序第" + (++count) + "轮 =" + Arrays.toString(arr));
		}
	}
           

快速排序

快速排序（Quicksort）是对冒泡排序的一种改进。

基本思想是：通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列

以第一个数为基准

//方法1：便于理解
public static void quickSort2(int[] arr,int low,int high){
		int i,j,temp,t;
		if(low>high){
			return;
		}
		i=low;//起始位
		j=high;
		//temp就是基准位
		temp = arr[low];
		while (i<j) {
			//先看右边，依次往左递减
			while (temp<=arr[j]&&i<j) {
				j--;
			}
			//再看左边，依次往右递增
			while (temp>=arr[i]&&i<j) {
				i++;
			}
			//如果满足条件则交换
			if (i<j) {
				t = arr[j];
				arr[j] = arr[i];
				arr[i] = t;
			}

		}
		//最后将基准为与i和j相等位置的数字交换
		arr[low] = arr[i];
		arr[i] = temp;
		//递归调用左半数组
		quickSort(arr, low, j-1);
		//递归调用右半数组
		quickSort(arr, j+1, high);
	}



	public static void quickSort(int[] arr,int left, int right) {
		int l = left; //左下标
		int r = right; //右下标
		//pivot 中轴值
		int pivot = arr[(left + right) / 2];
		int temp = 0; //临时变量，作为交换时使用
		//while循环的目的是让比pivot 值小放到左边
		//比pivot 值大放到右边
		while( l < r) { 
			//在pivot的左边一直找,找到大于等于pivot值,才退出
			while( arr[l] < pivot) {
				l += 1;
			}
			//在pivot的右边一直找,找到小于等于pivot值,才退出
			while(arr[r] > pivot) {
				r -= 1;
			}
			//如果l >= r说明pivot 的左右两的值，已经按照左边全部是
			//小于等于pivot值，右边全部是大于等于pivot值
			if( l >= r) {
				break;
			}
			
			//交换
			temp = arr[l];
			arr[l] = arr[r];
			arr[r] = temp;
			
			//如果交换完后，发现这个arr[l] == pivot值 相等 r--， 前移
			if(arr[l] == pivot) {
				r -= 1;
			}
			//如果交换完后，发现这个arr[r] == pivot值 相等 l++， 后移
			if(arr[r] == pivot) {
				l += 1;
			}
		}
		
		// 如果 l == r, 必须l++, r--, 否则为出现栈溢出
		if (l == r) {
			l += 1;
			r -= 1;
		}
		//向左递归
		if(left < r) {
			quickSort(arr, left, r);
		}
		//向右递归
		if(right > l) {
			quickSort(arr, l, right);
		}
		
		
	}
           

归并排序

归并排序（MERGE-SORT）是利用归并的思想实现的排序方法，该算法采用经典的分治（divide-and-conquer）策略（分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解，而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起，即分而治之)。

//分+合方法
	public static void mergeSort(int[] arr, int left, int right, int[] temp) {
		if(left < right) {
			int mid = (left + right) / 2; //中间索引
			//向左递归进行分解
			mergeSort(arr, left, mid, temp);
			//向右递归进行分解
			mergeSort(arr, mid + 1, right, temp);
			//合并
			merge(arr, left, mid, right, temp);
			
		}
	}
	
	//合并的方法
	/**
	 * 
	 * @param arr 排序的原始数组
	 * @param left 左边有序序列的初始索引
	 * @param mid 中间索引
	 * @param right 右边索引
	 * @param temp 做中转的数组
	 */
	public static void merge(int[] arr, int left, int mid, int right, int[] temp) {
		
		int i = left; // 初始化i, 左边有序序列的初始索引
		int j = mid + 1; //初始化j, 右边有序序列的初始索引
		int t = 0; // 指向temp数组的当前索引
		
		//(一)
		//先把左右两边(有序)的数据按照规则填充到temp数组
		//直到左右两边的有序序列，有一边处理完毕为止
		while (i <= mid && j <= right) {//继续
			//如果左边的有序序列的当前元素，小于等于右边有序序列的当前元素
			//即将左边的当前元素，填充到 temp数组 
			//然后 t++, i++
			if(arr[i] <= arr[j]) {
				temp[t] = arr[i];
				t += 1;
				i += 1;
			} else { //反之,将右边有序序列的当前元素，填充到temp数组
				temp[t] = arr[j];
				t += 1;
				j += 1;
			}
		}
		
		//(二)
		//把有剩余数据的一边的数据依次全部填充到temp
		while( i <= mid) { //左边的有序序列还有剩余的元素，就全部填充到temp
			temp[t] = arr[i];
			t += 1;
			i += 1;	
		}
		
		while( j <= right) { //右边的有序序列还有剩余的元素，就全部填充到temp
			temp[t] = arr[j];
			t += 1;
			j += 1;	
		}
		
		
		//(三)
		//将temp数组的元素拷贝到arr
		//注意，并不是每次都拷贝所有
		t = 0;
		int tempLeft = left; // 
		//第一次合并 tempLeft = 0 , right = 1 //  tempLeft = 2  right = 3 // tL=0 ri=3
		//最后一次 tempLeft = 0  right = 7
		while(tempLeft <= right) { 
			arr[tempLeft] = temp[t];
			t += 1;
			tempLeft += 1;
		}
		
	}
           

基数排序

基数排序(桶排序)介绍

1)基数排序（radix sort）属于“分配式排序”（distribution sort），又称“桶子法”（bucket sort）或bin sort，顾名思义，它是通过键值的各个位的值，将要排序的元素分配至某些“桶”中，达到排序的作用

2)基数排序法是属于稳定性的排序，基数排序法的是效率高的稳定性排序法

3)基数排序(Radix Sort)是桶排序的扩展

4)基数排序是1887年赫尔曼·何乐礼发明的。它是这样实现的：将整数按位数切割成不同的数字，然后按每个位数分别比较。

基数排序基本思想

将所有待比较数值统一为同样的数位长度，数位较短的数前面补零。然后，从最低位开始，依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后,

数列就变成一个有序序列。

//基数排序方法
	public static void radixSort(int[] arr) {
		
		//根据前面的推导过程，我们可以得到最终的基数排序代码
		
		//1. 得到数组中最大的数的位数
		int max = arr[0]; //假设第一数就是最大数
		for(int i = 1; i < arr.length; i++) {
			if (arr[i] > max) {
				max = arr[i];
			}
		}
		//得到最大数是几位数
		int maxLength = (max + "").length();
		
		
		//定义一个二维数组，表示10个桶, 每个桶就是一个一维数组
		//说明
		//1. 二维数组包含10个一维数组
		//2. 为了防止在放入数的时候，数据溢出，则每个一维数组(桶)，大小定为arr.length
		//3. 名明确，基数排序是使用空间换时间的经典算法
		int[][] bucket = new int[10][arr.length];
		
		//为了记录每个桶中，实际存放了多少个数据,我们定义一个一维数组来记录各个桶的每次放入的数据个数
		//可以这里理解
		//比如：bucketElementCounts[0] , 记录的就是  bucket[0] 桶的放入数据个数
		int[] bucketElementCounts = new int[10];
		
		
		//这里我们使用循环将代码处理
		
		for(int i = 0 , n = 1; i < maxLength; i++, n *= 10) {
			//(针对每个元素的对应位进行排序处理)， 第一次是个位，第二次是十位，第三次是百位..
			for(int j = 0; j < arr.length; j++) {
				//取出每个元素的对应位的值
				int digitOfElement = arr[j] / n % 10;
				//放入到对应的桶中
				bucket[digitOfElement][bucketElementCounts[digitOfElement]] = arr[j];
				bucketElementCounts[digitOfElement]++;
			}
			//按照这个桶的顺序(一维数组的下标依次取出数据，放入原来数组)
			int index = 0;
			//遍历每一桶，并将桶中是数据，放入到原数组
			for(int k = 0; k < bucketElementCounts.length; k++) {
				//如果桶中，有数据，我们才放入到原数组
				if(bucketElementCounts[k] != 0) {
					//循环该桶即第k个桶(即第k个一维数组), 放入
					for(int l = 0; l < bucketElementCounts[k]; l++) {
						//取出元素放入到arr
						arr[index++] = bucket[k][l];
					}
				}
				//第i+1轮处理后，需要将每个 bucketElementCounts[k] = 0 ！！！！
				bucketElementCounts[k] = 0;
				
			}
			//System.out.println("第"+(i+1)+"轮，对个位的排序处理 arr =" + Arrays.toString(arr));
			
		}
	}
           

基数排序是经典的空间换时间的排序方法，当数据量过大时，容易造成内存溢出

堆排序

堆排序基本介绍

1)堆排序是利用堆这种数据结构而设计的一种排序算法，堆排序是一种**选择排序，**它的最坏，最好，平均时间复杂度均为O(nlogn)，它也是不稳定排序。

2)堆是具有以下性质的完全二叉树：每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值，称为大顶堆, 注意 :

没有要求结点的左孩子的值和右孩子的值的大小关系。

3)每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值，称为小顶堆

4)大顶堆举例说明

堆排序基本思想

堆排序的基本思想是：

1)将待排序序列构造成一个大顶堆

2)此时，整个序列的最大值就是堆顶的根节点。

3)将其与末尾元素进行交换，此时末尾就为最大值。

4)然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆，这样会得到n个元素的次小值。如此反复执行，便能得到一个有序序列了。

可以看到在构建大顶堆的过程中，元素的个数逐渐减少，最后就得到一个有序序列了.

代码

package com.atguigu.tree;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Arrays;
import java.util.Date;

public class HeapSort {

	public static void main(String[] args) {
		//要求将数组进行升序排序
		int arr[] = {4, 6, 8, 5, 9};
		// 创建要给80000个的随机的数组
//		int[] arr = new int[8000000];
//		for (int i = 0; i < 8000000; i++) {
//			arr[i] = (int) (Math.random() * 8000000); // 生成一个[0, 8000000) 数
//		}
//
//		System.out.println("排序前");
//		Date data1 = new Date();
//		SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
//		String date1Str = simpleDateFormat.format(data1);
//		long time1 = System.currentTimeMillis();
//		System.out.println("排序前的时间是=" + date1Str);
//
		heapSort(arr);
//
//		Date data2 = new Date();
//		String date2Str = simpleDateFormat.format(data2);
//		System.out.println("排序前的时间是=" + date2Str);
//		long time2 = System.currentTimeMillis();
//		System.out.println(time2-time1);
		//System.out.println("排序后=" + Arrays.toString(arr));
	}

	//编写一个堆排序的方法
	public static void heapSort(int arr[]) {
		int temp = 0;
		System.out.println("堆排序!!");
		
//		//分步完成
//		adjustHeap(arr, 1, arr.length);
//		System.out.println("第一次" + Arrays.toString(arr)); // 4, 9, 8, 5, 6
//		
//		adjustHeap(arr, 0, arr.length);
//		System.out.println("第2次" + Arrays.toString(arr)); // 9,6,8,5,4
		
		//完成我们最终代码
		//将无序序列构建成一个堆，根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆
		for(int i = arr.length / 2 -1; i >=0; i--) {
			adjustHeap(arr, i, arr.length);
		}
		
		/*
		 * 2).将堆顶元素与末尾元素交换，将最大元素"沉"到数组末端;
　　			3).重新调整结构，使其满足堆定义，然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素，反复执行调整+交换步骤，直到整个序列有序。
		 */
		for(int j = arr.length-1;j >0; j--) {
			//交换
			temp = arr[j];
			arr[j] = arr[0];
			arr[0] = temp;
			adjustHeap(arr, 0, j);
		}

		System.out.println("数组=" + Arrays.toString(arr));
		
	}
	
	//将一个数组(二叉树), 调整成一个大顶堆
	/**
	 * 功能： 完成 将 以 i 对应的非叶子结点的树调整成大顶堆
	 * 举例  int arr[] = {4, 6, 8, 5, 9}; => i = 1 => adjustHeap => 得到 {4, 9, 8, 5, 6}  i=length/2 - 1;
	 * 如果我们再次调用  adjustHeap 传入的是 i = 0 => 得到 {4, 9, 8, 5, 6} => {9,6,8,5, 4}
	 * @param arr 待调整的数组
	 * @param i 表示非叶子结点在数组中索引
	 * @param lenght 表示对多少个元素继续调整， length 是在逐渐的减少
	 */
	public  static void adjustHeap(int arr[], int i, int lenght) {
		
		int temp = arr[i];//先取出当前元素的值，保存在临时变量
		//开始调整
		//说明
		//1. k = i * 2 + 1 k 是 i结点的左子结点
		for(int k = i * 2 + 1; k < lenght; k = k * 2 + 1) {
			if(k+1 < lenght && arr[k] < arr[k+1]) { //说明左子结点的值小于右子结点的值
				k++; // k 指向右子结点
			}
			if(arr[k] > temp) { //如果子结点大于父结点
				arr[i] = arr[k]; //把较大的值赋给当前结点
				i = k; //!!! i 指向 k,继续循环比较
			} else {
				break;//!
			}
		}
		//当for 循环结束后，我们已经将以i 为父结点的树的最大值，放在了 最顶(局部)
		arr[i] = temp;//将temp值放到调整后的位置
	}
	
}

           

常用排序算法总结和对比

相关术语解释：

1)稳定：如果a原本在b前面，而a=b，排序之后a仍然在b的前面；

2)不稳定：如果a原本在b的前面，而a=b，排序之后a可能会出现在b的后面；

3)内排序：所有排序操作都在内存中完成；

4)外排序：由于数据太大，因此把数据放在磁盘中，而排序通过磁盘和内存的数据传输才能进行；

5)时间复杂度： 一个算法执行所耗费的时间。

6)空间复杂度：运行完一个程序所需内存的大小。

7)n**: 数据规模

8)k**: “桶“的个数

9)In-place**: 不占用额外内存

10)Out-place**:占用额外内存