排序算法 快速排序 quickSort -- C语言实现
快速排序
快速排序是由东尼·霍尔所发展的一种排序算法。在平均状况下，排序 n 个项目要 Ο(nlogn) 次比较。在最坏状况下则需要 Ο(n2) 次比较，但这种状况并不常见。事实上，快速排序通常明显比其他 Ο(nlogn) 算法更快，因为它的内部循环（inner loop）可以在大部分的架构上很有效率地被实现出来。
快速排序使用分治法（Divide and conquer）策略来把一个串行（list）分为两个子串行（sub-lists）。
快速排序又是一种分而治之思想在排序算法上的典型应用。本质上来看，快速排序应该算是在冒泡排序基础上的递归分治法
快速排序的最坏运行情况是 O(n²)，比如说顺序数列的快排。但它的平摊期望时间是 O(nlogn)，且 O(nlogn) 记号中隐含的常数因子很小，比复杂度稳定等于 O(nlogn) 的归并排序要小很多。所以，对绝大多数顺序性较弱的随机数列而言，快速排序总是优于归并排序。
[引用参考](1.6 快速排序 | 菜鸟教程 (runoob.com))
算法步骤
- 从数列中挑出一个元素，称为 "基准"（pivot）;
- 重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区退出之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作；
- 递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序；
三路排序算法
概念
三路快速排序是双路快速排序的进一步改进版本，三路排序算法把排序的数据分为三部分，分别为小于 v，等于 v，大于 v，v 为标定值，这样三部分的数据中，等于 v 的数据在下次递归中不再需要排序，小于 v 和大于 v 的数据也不会出现某一个特别多的情况），通过此方式三路快速排序算法的性能更优。
适用说明
时间和空间复杂度同随机化快速排序。
三路快速排序算法是使用三路划分策略对数组进行划分，对处理大量重复元素的数组非常有效提高快速排序的过程。它添加处理等于划分元素值的逻辑，将所有等于划分元素的值集中在一起。
static void Swap(int *p1, int *p2)
{
int tmp = 0;
tmp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = tmp;
}
//直接插入排序
static void InsertSort(int* a, int n)
{
for (int i = 0; i < n - 1; i++) //n个数，只需排n-1个，（因为第一个必定有序--默认）
{
int end = i; //下标 ， 已排序数组【0 - end】
int tmp = a[end + 1]; //元素交换用 ， 数组往后覆盖挪动
//一个元素排序，排一个(先假想出一堆乱序数组)
while (end >= 0)
{
if (a[end] > tmp)
{
a[end + 1] = a[end]; //往后挪动
end--; //比下一个元素
}
else
{
break; //插入
}
}
a[end + 1] = tmp; //插在end后面
}
}
/*三数取中，消除有序影响*/
static int getMidIndex(int *a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[mid])
{
if (a[begin] < a[end])
{
return begin;
}
else if (a[mid] > a[end])
{
return mid;
}
else
{
return end;
}
}
else
{
if (a[mid] < a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] > a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
}
static void partitionQSort(int *a, int begin, int end) //[begin , left-1] [left , right] [right , end]
{
if (begin >= end)
{
return;
}
int mid = getMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin; int right = end;
int cur = begin + 1;
int key = a[left];
while (cur <= right)
{
if (a[cur] < key)
{
Swap(&a[cur++], &a[left++]);//a[left]永远小于key
}
else if (a[cur] == key)
{
cur++;
}
else
{
Swap(&a[cur], &a[right--]);
}
/*
* 如果是大于，则c不动，只控制right往前走，原因是不知道啊a[right]大小，再走就会出问题。
解决方法：交换a[right--]后保持cur不动，让循环进入下一轮，比较新的a[cur]和key，
在新一轮的循环中如果上一轮从right换过来的a[cur]比key大就丢回去，如果小于等于就按命令走
这样就能保证 左边<key ,中间 == key ,右边>key
*/
}
partitionQSort(a, begin, left - 1);
partitionQSort(a, right + 1, end);
}
挖坑法与前后指针法
/*交换函数*/
static void Swap(int *p1, int *p2)
{
int tmp = 0;
tmp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = tmp;
}
/*三数取中，消除有序影响*/
static int getMidIndex(int *a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[mid])
{
if (a[begin] < a[end])
{
return begin;
}
else if (a[mid] > a[end])
{
return mid;
}
else
{
return end;
}
}
else
{
if (a[mid] < a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin]>a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
}
int _HoareQuickSort(int *a, int begin , int end)
{
int mid = getMidIndex(a , begin , end);//mid是中间索引（中间值的下标）
Swap(&a[begin], &a[mid]); //获取到中间值的下标后对换begin和mid对应的值，使key对应的是中间值，消除有序
int left = begin; int right = end;
int keyi = left;
while (left < right)
{
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
right--;
}
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
left++;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[keyi], &a[right]);
keyi = right;
return keyi;
}
int _HoleQuickSort(int *a, int begin, int end)
{
int mid = getMidIndex(a, begin, end);//mid是中间索引（中间值的下标）
Swap(&a[begin], &a[mid]); //获取到中间值的下标后对换begin和mid对应的值，使key对应的是中间值，消除有序
int left = begin; int right = end;
int key = a[left];
int hole = left;//第一个坑给begin'
while (left < right)
{
while (left < right && key <= a[right])
{
right--;
}
a[hole] = a[right];
hole = right;
while (left < right && key >= a[left])
{
left++;
}
a[hole] = a[left];
hole = left;
}
a[hole] = key;
return hole;
//_HoleQuickSort(a, begin, hole - 1);
//_HoleQuickSort(a, hole + 1, end);
}
int _PointQuickSort(int *a, int begin, int end)
{
int mid = getMidIndex(a, begin, end);//mid是中间索引（中间值的下标）
Swap(&a[begin], &a[mid]); //获取到中间值的下标后对换begin和mid对应的值，使key对应的是中间值，消除有序
int prev = begin; int cur = begin+1;
int keyi = begin;
while (cur <= end)
{
if (a[cur] < a[keyi] && ++prev != cur) //后一个条件是用于限制指针相同情况下进行交换，因为交换有代价，减少时间
{ //加不加等号都行,最好不加,少交换减少消耗
//++prev;
Swap(&a[prev], &a[cur]);
}
++cur;
}
Swap(&a[keyi], &a[prev]);
keyi = prev;
return keyi;
}
/*三路“划分partition分割”*/ // ---- 独立使用，不能返回key了，因为分成了两个区间
void partitionQSort(int *a, int begin, int end) //[begin , left-1] [left , right] [right , end]
{
if (begin >= end)
{
return;
}
int mid = getMidIndex(a, begin, end);
Swap(&a[begin], &a[mid]);
int left = begin; int right = end;
int cur = begin+1;
int key = a[left];
while (cur <= right)
{
if (a[cur] < key)
{
Swap(&a[cur++], &a[left++]);//a[left]永远小于key
}
else if (a[cur] == key)
{
cur++;
}
else
{
Swap(&a[cur], &a[right--]);
}
/*
* 如果是大于，则c不动，只控制right往前走，原因是不知道啊a[right]大小，再走就会出问题。
解决方法：交换a[right--]后保持cur不动，让循环进入下一轮，比较新的a[cur]和key，
在新一轮的循环中如果上一轮从right换过来的a[cur]比key大就丢回去，如果小于等于就按命令走
这样就能保证 左边<key ,中间 == key ,右边>key
*/
}
QuickSort(a, begin, left - 1);
QuickSort(a, right+1, end);
}
void QuickSort(int *a, int begin, int end)
{
if (begin >= end)
{
return;
}
if ((end - begin + 1) < 15) //为什么15？，最后一层为1个，其次2，倒数第三层4.... , 1+2+4<15 即最后三层
{ //最后三层最好，多少都会慢---前提是递归没有递归优化，不然相差不大
InsertSort(a + begin, end - begin + 1);
}
else
{
int keyi = _PointQuickSort(a, begin, end);
QuickSort(a, begin, keyi - 1);
QuickSort(a, keyi + 1, end);
}
}
非递归版本
/*交换函数*/
static void Swap(int *p1, int *p2)
{
int tmp = 0;
tmp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = tmp;
}
/*三数取中，消除有序影响*/
static int getMidIndex(int *a, int begin, int end)
{
int mid = (begin + end) / 2;
if (a[begin] > a[mid])
{
if (a[begin] < a[end])
{
return begin;
}
else if (a[mid] > a[end])
{
return mid;
}
else
{
return end;
}
}
else
{
if (a[mid] < a[end])
{
return mid;
}
else if (a[begin] > a[end])
{
return begin;
}
else
{
return end;
}
}
}
//总思路：1、先走完左。2、走到底后，通过出栈更新数据回到上级位置
void _NonRecursionQSort(int *a, int begin, int end)
{
struct QSData QSData;
Stack stack;
StackInit(&stack);
int left = begin; int right = end;
int keyi = left;
int flag = 0;
//QSData.begin = begin;
//QSData.end = end;
//QSData.keyi = keyi;
//StackPush(&stack, QSData);
while (flag==0 || !StackEmpty(&stack))
{
flag = 1;
if (begin >= end) //返回后用出栈数据
{
QSData = StackTop(&stack);
StackPop(&stack);
begin = QSData.begin; end = QSData.end;
left = QSData.begin; right = QSData.end;
}
if (begin>=end) //出栈更新数据后是否符合，不符合再次重开判断或出栈
{
continue;
}
int mid = getMidIndex(a, begin, end);//mid是中间索引（中间值的下标）
Swap(&a[begin], &a[mid]); //获取到中间值的下标后对换begin和mid对应的值，使key对应的是中间值，消除有序
keyi = left;
while (left < right)
{
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
right--;
}
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
left++;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
//更新下一轮左的数据前，先把右的数据存起来（入栈）
Swap(&a[keyi], &a[right]);
keyi = right;
QSData.begin = keyi + 1;
QSData.end = end;
StackPush(&stack, QSData);
//更新数据，进入下一轮循环
begin = begin;
end = keyi - 1;
left = begin; right = end;
}
StackDestroy(&stack);
}
/*完全模拟递归*/ //--- 把栈DataType改成int,一次连续出入begin和end代码就简化了，再加把核心代码用函数
void _NonRecursionQSort1(int *a, int begin, int end)
{
//初始化栈
Stack stack;
StackInit(&stack);
//插入第一个数据
struct QSData QSData;
QSData.begin = begin; QSData.end = end;
StackPush(&stack, QSData);
while (!StackEmpty(&stack))
{
QSData = StackTop(&stack);
StackPop(&stack);
int begin = QSData.begin; int end = QSData.end;
int mid = getMidIndex(a, begin , end);//mid是中间索引（中间值的下标）
Swap(&a[begin], &a[mid]); //获取到中间值的下标后对换begin和mid对应的值，使key对应的是中间值，消除有序
int keyi = begin;
int left = begin; int right = end;
/*递归方法中选一*/
while (left < right)
{
begin = QSData.begin; end = QSData.end;
while (left < right && a[right] >= a[keyi])
{
right--;
}
while (left < right && a[left] <= a[keyi])
{
left++;
}
Swap(&a[left], &a[right]);
}
Swap(&a[keyi], &a[right]);
keyi = right;
//相当于递归不满足条件就return
if (keyi + 1 < end)
{
QSData.begin = keyi + 1; QSData.end = end;
StackPush(&stack, QSData);
}
if (begin < keyi - 1)
{
QSData.begin = begin; QSData.end = keyi - 1;
StackPush(&stack, QSData);
}
}
StackDestroy(&stack);
}
本文来自博客园，作者：HJfjfK，原文链接：https://www.cnblogs.com/DSCL-ing/p/18345465