Java 八种排序算法比较实践

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-05-14 14:17 126阅读 0赞

# Java 八种排序算法比较实践 #

写这篇文章是因为面试时经常会问这个问题，但是工作中也没用到过，所以一直是一知半解。但是我是属于比较较真的人，这次下定决心要把它们搞明白。知识在于积累，多点知识对自己总是有好处的。

我比较好奇的是，这几种方法到底哪个最快？我以前只知道冒泡排序，但这种方式可能是最慢的了。在网上搜了搜找到了这么一张图，看似蛮有道理的，如下：

![20160531105735609][]

从这个图可以看出貌似堆排序和归并排序最快因为无论好坏情况都是O（n \* log 2 n），但我在实践中则不然。

**随机不重复的整数**

我们选择10000个随机不重复整数，可以看出快速排序是最快的，并且是经过多次实验，名副其实，呵呵，它甚至比系统自带的Arrays.sot（）都快，所以还是实践出真知。测试结果如下图：

![20160531105750736][]

**有序不重复整数**

相反我们可以选择一万有个序不重复整数测试，插入排序  的英文最快的，而快速排序就不是最快的了，因为在有序中快速排序效果是很差的但不是最差的。测试结果如下图：

![20160611213421113][]

**系统排序Arrays.sort（）**

Java Arrays中提供了对所有类型的排序。其中主要分为Primitive（8种基本类型）和Object两大类。  
基本类型：采用调优的快速排序;   
对象类型：采用改进的归并排序。

Java对Primitive（int，float等原型数据）数组采用快速排序，对象对象数组采用归并排序。对这一区别，sun在<< Java教程>>中做出的解释如下： 
排序操作使用了略微优化的快速稳定的合并排序算法： 
\*快速：保证在n log（n）时间内运行，并在几乎排序的列表上运行得更快。经验测试显示它与高度优化的快速排序一样快。快速排序通常被认为比合并排序更快但是不稳定并且不保证n log（n）性能。 
\*稳定：它不会重新排序相同的元素。如果您对不同的属性重复排序相同的列表，这一点很重要。如果邮件程序的用户通过邮寄日期对收件箱进行排序，然后由发件人对其进行排序，则用户自然希望来自给定发件人的现在连续的邮件列表（仍）按邮件日期排序。只有当第二种类型稳定时才能保证这一点。 
 
　　也就是说，优化的归并排序既快速（nlog（n））又稳定。 
　　对于对象的排序，稳定性很重要。比如成绩单，一开始可能是按人员的学号顺序排好了的，现在让我们用成绩排，那么你应该保证，本来张三在李四前面，即使他们成绩相同，张三不能跑到李四的后面去。 
　　而快速排序是不稳定的，而且最坏情况下的时间复杂度是O（N ^ 2）。 
　　另外，对象数组中保存的只是对象的引用，这样多次移位并不会造成额外的开销，但是，对象数组对比较次数一般比较敏感，有可能对象的比较比单纯数的比较开销大很多。归并排序在这方面比快速排序做得更好，这也是选择它作为对象排序的一个重要原因之一。

源码中的快速排序，主要做了以下几个方面的优化：  
1）当待排序的数组中的元素个数较少时，源码中的阀值为7，采用的是插入排序。尽管插入排序的时间复杂度为0（n ^ 2），但是当数组元素较少时，插入排序优于快速排序，因为这时快速排序的递归操作影响性能  
.2）较好的选择了划分元（基准元素） 。能够将数组分成大致两个相等的部分，避免出现最坏的情况。例如当数组有序的的情况下，选择第一个元素作为划分元，将使得算法的时间复杂度达到为O（n ^ 2）。

源码中选择划分元的方法： 
当数组大小为size = 7时，取数组中间元素作为划分元.int n = m >> 1;（此方法值得借鉴） 
当数组大小7 <size <= 40时，取首，中，末三个元素中间大小的元素作为划分元。 
当数组大小> 40时，从待排数组中较均匀的选择9个元素，选出一个中中做做为分分元。

**各种排序算法并且有对应的舞蹈，太有创意了，哈哈**。

舞蹈之快速排序：[http][]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyODk4NTQ4.html？from = s1.8-1-1.2

舞蹈之冒泡排序：[http][http 1]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyOTAyMzQ0.html？from = s1.8-1-1.2

舞蹈之归并排序：[http][http 2]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyODk5Njg4.html？from = s1.8-1-1.2

舞蹈之希尔排序：[http][http 3]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyODk5MzI4.html？from = s1.8-1-1.2

舞蹈之选择排序：[http][http 4]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyODk5MDI0.html？from = s1.8-1-1.2

舞蹈之插入排序：[http][http 5]：//v.youku.com/v\_show/id\_XMzMyODk3NjI4.html？from = s1.8-1-1.2

## **冒泡排序算法：** ##

public BubbleSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); int temp=0; for(int i=0;i<a.length-1;i++){ for(int j=0;j<a.length-1-i;j++){ if(a[j]>a[j+1]){ temp=a[j]; a[j]=a[j+1]; a[j+1]=temp; } } } long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("BubbleSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } }

## **快速排序算法：** ##

public class QuickSort { public QuickSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); quick(a); long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("QuickSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } public int getMiddle(Integer[] list, int low, int high) { int tmp = list[low]; //数组的第一个作为中轴 while (low < high) { while (low < high && list[high] >= tmp) { high--; } list[low] = list[high]; //比中轴小的记录移到低端 while (low < high && list[low] <= tmp) { low++; } list[high] = list[low]; //比中轴大的记录移到高端 } list[low] = tmp; //中轴记录到尾 return low; //返回中轴的位置 } public void _quickSort(Integer[] list, int low, int high) { if (low < high) { int middle = getMiddle(list, low, high); //将list数组进行一分为二 _quickSort(list, low, middle - 1); //对低字表进行递归排序 _quickSort(list, middle + 1, high); //对高字表进行递归排序 } } public void quick(Integer[] a2) { if (a2.length > 0) { //查看数组是否为空 _quickSort(a2, 0, a2.length - 1); } } }

快速排序还有很多改进版本，如1.随机选择基准数2.数据较少时用另外的方法排序以减小递归深度。有兴趣的同学可以参考一下：[http][http 6]：[//blog.csdn.net/ insistgogo / article / details / 7785038][http 6]，[http][http 7]：[//www.jianshu.com/p/5e171281a387][http 7]

## **堆排序算法：** ##

public class HeapSort { public HeapSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); heapSort(a); long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("HeapSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } public void heapSort(Integer[] a){ int arrayLength=a.length; //循环建堆 for(int i=0;i<arrayLength-1;i++){ //建堆 buildMaxHeap(a,arrayLength-1-i); //交换堆顶和最后一个元素 swap(a,0,arrayLength-1-i); } } private void swap(Integer[] data, int i, int j) { // TODO Auto-generated method stub int tmp=data[i]; data[i]=data[j]; data[j]=tmp; } //对data数组从0到lastIndex建大顶堆 private void buildMaxHeap(Integer[] data, int lastIndex) { // TODO Auto-generated method stub //从lastIndex处节点（最后一个节点）的父节点开始 for(int i=(lastIndex-1)/2;i>=0;i--){ //k保存正在判断的节点 int k=i; //如果当前k节点的子节点存在 while(k*2+1<=lastIndex){ //k节点的左子节点的索引 int biggerIndex=2*k+1; //如果biggerIndex小于lastIndex，即biggerIndex+1代表的k节点的右子节点存在 if(biggerIndex<lastIndex){ //若果右子节点的值较大 if(data[biggerIndex]<data[biggerIndex+1]){ //biggerIndex总是记录较大子节点的索引 biggerIndex++; } } //如果k节点的值小于其较大的子节点的值 if(data[k]<data[biggerIndex]){ //交换他们 swap(data,k,biggerIndex); //将biggerIndex赋予k，开始while循环的下一次循环，重新保证k节点的值大于其左右子节点的值 k=biggerIndex; }else{ break; } } } } }

## **插入排序算法：** ##

public class InsertSort { public InsertSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); int temp=0; for(int i=1;i<a.length;i++){ int j=i-1; temp=a[i]; for(;j>=0&&temp<a[j];j--){ a[j+1]=a[j]; //将大于temp的值整体后移一个单位 } a[j+1]=temp; } long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("InsertSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } }

## **合并排序算法：** ##

public class MergeSort { public MergeSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); sort(a,0,a.length-1); long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("MergeSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } public void sort(Integer[] data, int left, int right) { // TODO Auto-generated method stub if(left<right){ //找出中间索引 int center=(left+right)/2; //对左边数组进行递归 sort(data,left,center); //对右边数组进行递归 sort(data,center+1,right); //合并 merge(data,left,center,right); } } public void merge(Integer[] data, int left, int center, int right) { // TODO Auto-generated method stub int [] tmpArr=new int[data.length]; int mid=center+1; //third记录中间数组的索引 int third=left; int tmp=left; while(left<=center&&mid<=right){ //从两个数组中取出最小的放入中间数组 if(data[left]<=data[mid]){ tmpArr[third++]=data[left++]; }else{ tmpArr[third++]=data[mid++]; } } //剩余部分依次放入中间数组 while(mid<=right){ tmpArr[third++]=data[mid++]; } while(left<=center){ tmpArr[third++]=data[left++]; } //将中间数组中的内容复制回原数组 while(tmp<=right){ data[tmp]=tmpArr[tmp++]; } } }

## **基排序算法：** ##

public RadixSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); sort(a); long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("RadixSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } public void sort(Integer[] array){ //首先确定排序的趟数; int max=array[0]; for(int i=1;i<array.length;i++){ if(array[i]>max){ max=array[i]; } } int time=0; //判断位数; while(max>0){ max/=10; time++; } //建立10个队列; List<List> queue=new ArrayList<List>(); for(int i=0;i<10;i++){ ArrayList<Integer> queue1=new ArrayList<Integer>(); queue.add(queue1); } //进行time次分配和收集; for(int i=0;i<time;i++){ //分配数组元素; for(int j=0;j<array.length;j++){ //得到数字的第time+1位数; int x=array[j]%(int)Math.pow(10, i+1)/(int)Math.pow(10, i); ArrayList<Integer> queue2=(ArrayList<Integer>) queue.get(x); queue2.add(array[j]); queue.set(x, queue2); } int count=0;//元素计数器; //收集队列元素; for(int k=0;k<10;k++){ while(queue.get(k).size()>0){ ArrayList<Integer> queue3=(ArrayList<Integer>) queue.get(k); array[count]=queue3.get(0); queue3.remove(0); count++; } } } } }

## **选择排序算法：** ##

public class SelectSort { public SelectSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); int position=0; for(int i=0;i<a.length;i++){ int j=i+1; position=i; int temp=a[i]; for(;j<a.length;j++){ if(a[j]<temp){ temp=a[j]; position=j; } } a[position]=a[i]; a[i]=temp; } long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("SelectSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } }

## **希尔排序算法：** ##

public class ShellSort { public ShellSort(Integer ar[]){ Integer a[]=ar.clone(); long currentTime=System.currentTimeMillis(); double d1=a.length; int temp=0; while(true){ d1= Math.ceil(d1/2); int d=(int) d1; for(int x=0;x<d;x++){ for(int i=x+d;i<a.length;i+=d){ int j=i-d; temp=a[i]; for(;j>=0&&temp<a[j];j-=d){ a[j+d]=a[j]; } a[j+d]=temp; } } if(d==1) break; } long nowTime=System.currentTimeMillis(); System.out.println("ShellSort-----------cost time:"+(nowTime-currentTime)); // System.out.println(Arrays.toString( a)); } }

下面主要是参考别人的一些文章讲讲快速排序，其它的大家可以自行搜索。快速排序由于排序效率在同为O（N \* logN）的的几种排序方法中效率较高，因此经常被采用，再加上快速排序思想----分治法也确实实用，因此很多软件公司的笔试面试，包括像腾讯，微软等知名IT公司都喜欢考这个，还有大大小的程序方面的考试如软考，考研中也常常出现快速排序的身影。

快速排序是CRAHoare于1962年提出的一种划分交换排序。它采用了一种分治的策略，通常称其为分治法（分而ConquerMethod）。

该方法的基本思想是：

1.先从数列中取出一个数作为基准数。

2.分区过程，将比这个数大的数全放到它的右边，小于或等于它的数全放到它的左边。

3.再对左右区间重复第二步，直到各区间只有一个数。

虽然快速排序称为分治法，但分治法这三个字显然无法很好的概括快速排序的全部步骤因此我的对快速排序作了进一步的说明：挖坑填数+分治法：

先来看实例吧，定义下面再给出（最好能用自己的话来总结定义，这样对实现代码会有帮助）。

以一个数组作为示例，取区间第一个数为基准数

由于已经将a \[0\]中的数保存到X中，可以理解成在数组a \[0\]上挖了个坑，可以将其它数据填充到这来。初始时，i = 0; j = 9;X = a \[i\] = 72

从Ĵ开始向前找一个比X小或等于X的数。当J = 8，符合条件，将一个\[8\]挖出再填到上一个坑一个\[0\]中。一个\[0\] = A \[ 8\];我++; 这样一个坑一个\[0\]就被搞定了，但又形成了一个新坑一个\[8\]，这怎么办了？简单，再找数字来填一个\[8\]这个坑。这次从我开始向后找一个大于X的数，当I = 3，符合条件，将\[3\]挖出再填到上一个坑中一个\[8\] = \[3\]。j--;

数组变为：

再重复上面的步骤，**先从后向前找，再从前向后找** .i = 3; j = 7; X = 72

从j开始向前找，当j = 5，符合条件，将a \[5\]挖出填到上一个坑中，a \[3\] = a \[5\]; 我++;

从我开始向后找，当I = 5时，由于我==Ĵ退出。

此时，i = j = 5，而a \[5\]刚好又是上次挖的坑，因此将X填入a \[5\]。

数组变为：

挖坑对填数进行总结可以**看出一个\[5\]前面的数字都小于它，一个\[5\]后面的数字都大于它**。因此再对一个\[0 ... 4\]和A \[6 ... 9\]这二区间个子**重复**上述步骤就可以了。

1.i = L; j = R; 将基准数挖出形成第一个坑一个\[i\]中。

2.j--由后向前找比它小的数，找到后挖出此数填前一个坑A \[1\]中。

3.I ++由前向后找比它大的数，找到后也挖出此数填到前一个坑一个\[J\]中。

4.再重复执行2,3-二步，直到我==Ĵ，将基准数填入一个\[I\]中。

照着这个总结很容易实现挖坑填数的代码：

int AdjustArray(int s[], int l, int r) //返回调整后基准数的位置 { int i = l, j = r; int x = s[l]; //s[l]即s[i]就是第一个坑 while (i < j) { // 从右向左找小于x的数来填s[i] while(i < j && s[j] >= x) j--; if(i < j) { s[i] = s[j]; //将s[j]填到s[i]中，s[j]就形成了一个新的坑 i++; } // 从左向右找大于或等于x的数来填s[j] while(i < j && s[i] < x) i++; if(i < j) { s[j] = s[i]; //将s[i]填到s[j]中，s[i]就形成了一个新的坑 j--; } } //退出时，i等于j。将x填到这个坑中。 s[i] = x; return i; }

再写分治法的代码：

void quick_sort1(int s[], int l, int r) { if (l < r) { int i = AdjustArray(s, l, r);//先成挖坑填数法调整s[] quick_sort1(s, l, i - 1); // 递归调用 quick_sort1(s, i + 1, r); } }

这样的代码显然不够简洁，对其组合整理下

//快速排序 void quick_sort(int s[], int l, int r) { if (l < r) { //Swap(s[l], s[(l + r) / 2]); //将中间的这个数和第一个数交换 参见注1 int i = l, j = r, x = s[l]; while (i < j) { while(i < j && s[j] >= x) // 从右向左找第一个小于x的数 j--; if(i < j) s[i++] = s[j]; while(i < j && s[i] < x) // 从左向右找第一个大于等于x的数 i++; if(i < j) s[j--] = s[i]; } s[i] = x; quick_sort(s, l, i - 1); // 递归调用 quick_sort(s, i + 1, r); } }

下面是八种排序算法比较实践代码，大家可以下载运行研究一下。

[源码地址，点击下载......][......]

[20160531105735609]: /images/20220504/6b2476ef0416483da1bdc890e7e38ff9.png
[20160531105750736]: /images/20220504/997ec5cba3134539a728e0f20aa6a802.png
[20160611213421113]: /images/20220504/1a8af537668d4d638e0a8113441e8ea3.png
[http]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk4NTQ4.html?from=s1.8-1-1.2
[http 1]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyOTAyMzQ0.html?from=s1.8-1-1.2
[http 2]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk5Njg4.html?from=s1.8-1-1.2
[http 3]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk5MzI4.html?from=s1.8-1-1.2
[http 4]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk5MDI0.html?from=s1.8-1-1.2
[http 5]: http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk3NjI4.html?from=s1.8-1-1.2
[http 6]: http://blog.csdn.net/insistgogo/article/details/7785038
[http 7]: http://www.jianshu.com/p/5e171281a387
[......]: http://download.csdn.net/detail/gaolei1201/9536173