Java实现几种常见排序算法代码_java

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稳定度(稳定性)
一个排序算法是稳定的,就是当有两个相等记录的关键字R和S,且在原本的列表中R出现在S之前,在排序过的列表中R也将会是在S之前。

排序算法分类

常见的有插入(插入排序/希尔排序)、交换(冒泡排序/快速排序)、选择(选择排序)、合并(归并排序)等。

一.插入排序

插入排序(Insertion Sort),它的工作原理是通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。插入排序在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到O(1)的额外空间的排序),因而在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后挪位,为最新元素提供插入空间。

一般来说,插入排序都采用in-place在数组上实现。具体算法描述如下:

从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序。
取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描。
如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置。
重复步骤3,直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置。
将新元素插入到该位置后。
重复步骤2~5。

public static void insertionSort(int[] data) {
        for (int index = 1; index < data.length; index++) {
            int key = data[index];
            int position = index;
            // shift larger values to the right
            while (position > 0 && data[position - 1] > key) {
                data[position] = data[position - 1];
                position--;
            }
            data[position] = key;
        }
    }

二.希尔排序

希尔排序(Shell Sort)是插入排序的一种。是针对直接插入排序算法的改进。该方法又称缩小增量排序,因DL.Shell于1959年提出而得名。

希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的:

插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时, 效率高, 即可以达到线性排序的效率。
但插入排序一般来说是低效的, 因为插入排序每次只能将数据移动一位。

static <E extends Comparable<? super E>> void shellSort(List<E> a) {
        int h = 1;
        while (h < a.size()/3) h = h*3 + 1;    // <O(n^(3/2)) by Knuth,1973>: 1, 4, 13, 40, 121, ...
        for (; h >= 1; h /= 3)
            for (int i = h; i < a.size(); i++)
                for (int j = i; j >= h && a.get(j).compareTo(a.get(j-h)) < 0; j-=h)
                    Collections.swap(a, j, j-h);
    }

三.冒泡排序

冒泡排序(Bubble Sort,台湾译为:泡沫排序或气泡排序)是一种简单的排序算法。它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果他们的顺序错误就把他们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

冒泡排序算法的运作如下:

比较相邻的元素,如果第一个比第二个大,就交换他们两个。
对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对,在这一点,最后的元素应该会是最大的数。
针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。


public static void bubbleSort(int[] data) {
        int temp = 0;
        for (int i = data.length - 1; i > 0; --i) {
            boolean isSort = false;
            for (int j = 0; j < i; ++j) {
                if (data[j + 1] < data[j]) {
                    temp = data[j];
                    data[j] = data[j + 1];
                    data[j + 1] = temp;
                    isSort = true;
                }
            }

            // 如果一次内循环中发生了交换,那么继续比较;如果一次内循环中没发生任何交换,则认为已经排序好了。
            if (!isSort)
                break;
        }
    }

四.快速排序

快速排序(Quicksort)是对冒泡排序的一种改进。由C. A. R. Hoare在1962年提出。它的基本思想是: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。

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)。

步骤为:

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。


/*
 * more efficient implements for quicksort. <br />
 * use left, center and right median value (@see #median()) for the pivot, and
 * the more efficient inner loop for the core of the algorithm.
 */
public class Quicksort {

    public static final int CUTOFF = 11;

    /**
     * quick sort algorithm. <br />
     *
     * @param arr an array of Comparable items. <br />
     */
    public static <T extends Comparable<? super T>> void quicksort(T[] arr) {
        quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    /**
     * get the median of the left, center and right. <br />
     * order these and hide the pivot by put it the end of of the array. <br />
     *
     * @param arr an array of Comparable items. <br />
     * @param left the most-left index of the subarray. <br />
     * @param right the most-right index of the subarray.<br />
     * @return T
     */
    public static <T extends Comparable<? super T>> T median(T[] arr, int left, int right) {

        int center = (left + right) / 2;

        if (arr[left].compareTo(arr[center]) > 0)
            swapRef(arr, left, center);
        if (arr[left].compareTo(arr[right]) > 0)
            swapRef(arr, left, right);
        if (arr[center].compareTo(arr[right]) > 0)
            swapRef(arr, center, right);

        swapRef(arr, center, right - 1);
        return arr[right - 1];
    }

    /**
     * internal method to sort the array with quick sort algorithm. <br />
     *
     * @param arr an array of Comparable Items. <br />
     * @param left the left-most index of the subarray. <br />
     * @param right the right-most index of the subarray. <br />
     */
    private static <T extends Comparable<? super T>> void quickSort(T[] arr, int left, int right) {
        if (left + CUTOFF <= right) {
            // find the pivot
            T pivot = median(arr, left, right);

            // start partitioning
            int i = left, j = right - 1;
            for (;;) {
                while (arr[++i].compareTo(pivot) < 0);
                while (arr[--j].compareTo(pivot) > 0);
                if (i < j)
                    swapRef(arr, i, j);
                else
                    break;
            }

            // swap the pivot reference back to the small collection.
            swapRef(arr, i, right - 1);

            quickSort(arr, left, i - 1); // sort the small collection.
            quickSort(arr, i + 1, right); // sort the large collection.

        } else {
            // if the total number is less than CUTOFF we use insertion sort
            // instead (cause it much more efficient).
            insertionSort(arr, left, right);
        }
    }

    /**
     * method to swap references in an array.<br />
     *
     * @param arr an array of Objects. <br />
     * @param idx1 the index of the first element. <br />
     * @param idx2 the index of the second element. <br />
     */
    public static <T> void swapRef(T[] arr, int idx1, int idx2) {
        T tmp = arr[idx1];
        arr[idx1] = arr[idx2];
        arr[idx2] = tmp;
    }

    /**
     * method to sort an subarray from start to end with insertion sort
     * algorithm. <br />
     *
     * @param arr an array of Comparable items. <br />
     * @param start the begining position. <br />
     * @param end the end position. <br />
     */
    public static <T extends Comparable<? super T>> void insertionSort(T[] arr, int start, int end) {
        int i;
        for (int j = start + 1; j <= end; j++) {
            T tmp = arr[j];
            for (i = j; i > start && tmp.compareTo(arr[i - 1]) < 0; i--) {
                arr[i] = arr[i - 1];
            }
            arr[i] = tmp;
        }
    }

    private static void printArray(Integer[] c) {
        for (int i = 0; i < c.length; i++)
            System.out.print(c[i] + ",");

        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] data = {10, 4, 9, 23, 1, 45, 27, 5, 2};

        System.out.println("bubbleSort...");
        printArray(data);
        quicksort(data);
        printArray(data);
    }
}

五.选择排序

选择排序(Selection sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。

因为每一趟确定元素的过程中都会有一个选择最小值的子流程,所以人们形象地称之为选择排序。

举个例子,序列5 8 5 2 9,我们知道第一遍选择第1个元素5会和2交换,那么原序列中2个5的相对前后顺序就被破坏了,所以选择排序不是一个稳定的排序算法。

public static void selectSort(int[] data) {
        int minIndex = 0;
        int temp = 0;
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            minIndex = i; // 无序区的最小数据数组下标
            for (int j = i + 1; j < data.length; j++) { // 在无序区中找到最小数据并保存其数组下标
                if (data[j] < data[minIndex]) {
                    minIndex = j;
                }
            }
            if (minIndex != i) { // 如果不是无序区的最小值位置不是默认的第一个数据,则交换之。
                temp = data[i];
                data[i] = data[minIndex];
                data[minIndex] = temp;
            }
        }
    }

六.归并排序

归并排序(Merge sort)是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。

归并操作的过程如下:

申请空间,使其大小为两个已经排序序列之和,该空间用来存放合并后的序列。
设定两个指针,最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置。
比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入到合并空间,并移动指针到下一位置。
重复步骤3直到某一指针达到序列尾。
将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾。

public static int[] mergeSort(int[] arr) {// 归并排序 --递归
        if (arr.length == 1) {
            return arr;
        }
        int half = arr.length / 2;
        int[] arr1 = new int[half];
        int[] arr2 = new int[arr.length - half];
        System.arraycopy(arr, 0, arr1, 0, arr1.length);
        System.arraycopy(arr, half, arr2, 0, arr2.length);
        arr1 = mergeSort(arr1);
        arr2 = mergeSort(arr2);
        return mergeSortSub(arr1, arr2);
    }

    private static int[] mergeSortSub(int[] arr1, int[] arr2) {// 归并排序子程序
        int[] result = new int[arr1.length + arr2.length];
        int i = 0;
        int j = 0;
        int k = 0;
        while (true) {
            if (arr1[i] < arr2[j]) {
                result[k] = arr1[i];
                if (++i > arr1.length - 1) {
                    break;
                }
            } else {
                result[k] = arr2[j];
                if (++j > arr2.length - 1) {
                    break;
                }
            }
            k++;
        }
        for (; i < arr1.length; i++) {
            result[++k] = arr1[i];
        }
        for (; j < arr2.length; j++) {
            result[++k] = arr2[j];
        }
        return result;
    }

完整代码(除QuickSort)

package com.clzhang.sample.thinking;

import java.util.*;

/**
 * 几路常见的排序算法Java实现
 * @author acer
 *
 */
public class CommonSort {
    /**
     * 插入排序具体算法描述如下:
     * 1.从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序
     * 2.取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描
     * 3.如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置
     * 4.重复步骤3,直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置
     * 5.将新元素插入到该位置后
     * 6.重复步骤2~5
     */
    public static void insertionSort(int[] data) {
        for (int index = 1; index < data.length; index++) {
            int key = data[index];
            int position = index;
            // shift larger values to the right
            while (position > 0 && data[position - 1] > key) {
                data[position] = data[position - 1];
                position--;
            }
            data[position] = key;
        }
    }

    /**
     * 希尔排序,算法实现思想参考维基百科;适合大数量排序操作。
     */
    static <E extends Comparable<? super E>> void shellSort(List<E> a) {
        int h = 1;
        while (h < a.size()/3) h = h*3 + 1;    // <O(n^(3/2)) by Knuth,1973>: 1, 4, 13, 40, 121, ...
        for (; h >= 1; h /= 3)
            for (int i = h; i < a.size(); i++)
                for (int j = i; j >= h && a.get(j).compareTo(a.get(j-h)) < 0; j-=h)
                    Collections.swap(a, j, j-h);
    }

    /**
     * 冒泡排序算法的运作如下:
     * 1.比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。
     * 2.对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。在这一点,最后的元素应该会是最大的数。
     * 3.针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
     * 4.持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。[1]
     */
    public static void bubbleSort(int[] data) {
        int temp = 0;
        for (int i = data.length - 1; i > 0; --i) {
            boolean isSort = false;
            for (int j = 0; j < i; ++j) {
                if (data[j + 1] < data[j]) {
                    temp = data[j];
                    data[j] = data[j + 1];
                    data[j + 1] = temp;
                    isSort = true;
                }
            }

            // 如果一次内循环中发生了交换,那么继续比较;如果一次内循环中没发生任何交换,则认为已经排序好了。
            if (!isSort)
                break;
        }
    }

    /**
     * 选择排序的基本思想是:
     * 1.遍历数组的过程中,以 i 代表当前需要排序的序号,则需要在剩余的 [i+1…n-1] 中找出其中的最小值,
     * 2.然后将找到的最小值与 i 指向的值进行交换。
     * 因为每一趟确定元素的过程中都会有一个选择最小值的子流程,所以人们形象地称之为选择排序。
     * @param data
     */
    public static void selectSort(int[] data) {
        int minIndex = 0;
        int temp = 0;
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            minIndex = i; // 无序区的最小数据数组下标
            for (int j = i + 1; j < data.length; j++) { // 在无序区中找到最小数据并保存其数组下标
                if (data[j] < data[minIndex]) {
                    minIndex = j;
                }
            }
            if (minIndex != i) { // 如果不是无序区的最小值位置不是默认的第一个数据,则交换之。
                temp = data[i];
                data[i] = data[minIndex];
                data[minIndex] = temp;
            }
        }
    }

    /**
     * 归并操作的过程如下:
     * 1.申请空间,使其大小为两个已经排序序列之和,该空间用来存放合并后的序列
     * 2.设定两个指针,最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置
     * 3.比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入到合并空间,并移动指针到下一位置
     * 4.重复步骤3直到某一指针达到序列尾
     * 5.将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾
     */
    public static int[] mergeSort(int[] arr) {// 归并排序 --递归
        if (arr.length == 1) {
            return arr;
        }
        int half = arr.length / 2;
        int[] arr1 = new int[half];
        int[] arr2 = new int[arr.length - half];
        System.arraycopy(arr, 0, arr1, 0, arr1.length);
        System.arraycopy(arr, half, arr2, 0, arr2.length);
        arr1 = mergeSort(arr1);
        arr2 = mergeSort(arr2);
        return mergeSortSub(arr1, arr2);
    }

    private static int[] mergeSortSub(int[] arr1, int[] arr2) {// 归并排序子程序
        int[] result = new int[arr1.length + arr2.length];
        int i = 0;
        int j = 0;
        int k = 0;
        while (true) {
            if (arr1[i] < arr2[j]) {
                result[k] = arr1[i];
                if (++i > arr1.length - 1) {
                    break;
                }
            } else {
                result[k] = arr2[j];
                if (++j > arr2.length - 1) {
                    break;
                }
            }
            k++;
        }
        for (; i < arr1.length; i++) {
            result[++k] = arr1[i];
        }
        for (; j < arr2.length; j++) {
            result[++k] = arr2[j];
        }
        return result;
    }

    private static void printArray(int[] c) {
        for (int i = 0; i < c.length; i++)
            System.out.print(c[i] + ",");

        System.out.println();
    }

    public static void main(String []args){ 
        int[] data = {10,4,9,23,1,45,27,5,2};

        System.out.println("bubbleSort...");
        int[] a = data.clone();
        printArray(a);
        bubbleSort(a);
        printArray(a);

        System.out.println("selectSort...");
        int[] b = data.clone();
        printArray(b);
        selectSort(b);
        printArray(b);

        System.out.println("insertionSort...");
        int[] c = data.clone();
        printArray(c);
        insertionSort(c);
        printArray(c);

        System.out.println("shellSort...");
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        for(int i=0;i<data.length;i++)
            list.add(data[i]);
        System.out.println(list);
        shellSort(list);
        System.out.println(list);

        System.out.println("mergeSort...");
        int[] d = data.clone();
        printArray(d);
        printArray(mergeSort(d));
    } 

}

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