快速排序 Quick Sort

快速排序 Quick Sort

　　快速排序的基本思想是，通过一趟排序将待排记录分割成独立的两部分，其中一部分记录的关键字均比另一部分记录的关键字小，则可分别对这两部分记录继续进行排序，以达到整个序列有序。

　　一趟快速排序（或一次划分）的过程如下：首先任意选取一个记录（通常可选第一个记录）作为枢轴（或支点）（pivot），然后按下列原则重新排列其余记录：将所有关键字比它小的记录都安置在它的位置之前，将所有关键字比它大的记录都安置在它的位置之后。

　　经过一趟快速排序之后，以该枢轴记录最后所落的位置i作分界线，将序列分割成两个子序列，之后再分别对分割所得的两个子序列进行快速排序。

　　可以看出这个算法可以递归实现，可以用一个函数来实现划分，并返回分界位置。然后不断地这么分下去直到排序完成，可以看出函数的输入参数需要提供序列的首尾位置。

快速排序的实现

划分实现1 （枢轴跳来跳去法）

　　一趟快速排序的实现：设两个指针low和high，设枢轴记录的关键字为pivotkey，则首先从high所指位置起向前搜索找到第一个关键字小于pivotkey的记录和枢轴记录互相交换，然后从low所指位置起向后搜索，找到第一个关键字大于pivotkey的记录和枢轴记录互相交换，重复这两步直至low==high为止。

　　下面的代码例子元素类型为int，并且关键字就是其本身。

typedef int ElemType;

int Patition(ElemType A[], int low, int high)
{
        
    ElemType pivotkey=A[low];
    ElemType temp;


    while(low<high)
    {

        while(low <high && A[high]>=pivotkey)
        {
            --high;
        }
        temp=A[high];
        A[high]=A[low];
        A[low]=temp;
        while(low<high && A[low]<=pivotkey)
        {
            ++low;
        }
        temp=A[high];
        A[high]=A[low];
        A[low]=temp;
    }
    return low;

}

 

划分实现2 （枢轴一次到位法）

　　从上面的实现可以看出，枢轴元素（即最开始选的“中间”元素（其实往往是拿第一个元素作为“中间”元素））在上面的实现方法中需要不断地和其他元素交换位置，而每交换一次位置实际上需要三次赋值操作。

　　实际上，只有最后low=high的位置才是枢轴元素的最终位置，所以可以先将枢轴元素保存起来，排序过程中只作元素的单向移动，直至一趟排序结束后再将枢轴元素移至正确的位置上。

　　代码如下：

int Patition(ElemType A[], int low, int high)
{

    ElemType pivotkey=A[low];
    ElemType temp = A[low];


    while(low<high)
    {

        while(low <high && A[high]>=pivotkey)
        {
            --high;
        }
        A[low]=A[high];
        while(low<high && A[low]<=pivotkey)
        {
            ++low;
        }
        A[high]=A[low];
    }
    A[low] = temp;
    return low;

}

 

　　可以看到减少了每次交换元素都要进行的三个赋值操作，变成了一个赋值操作。

　　细节就是每次覆盖掉的元素都已经在上次保存过了，所以不必担心，而第一次覆盖掉的元素就是枢轴元素，最后覆盖在了它应该处于的位置。

递归形式的快速排序算法

void QuickSort(ElemType A[], int low, int high)
{
    if(low<high)
    {
        int pivotloc=Patition(A,low, high);
        QuickSort(A, low, pivotloc-1);
        QuickSort(A, pivotloc+1, high);
    }
}

　　不管划分是上面哪一种实现，都可以用这个递归形式进行快速排序。

　　需要注意的是这个if语句不能少，不然没法停止，会导致堆栈溢出的异常。

 

快速排序的性能分析

时间复杂度

　　快速排序的平均时间为T_avg(n)=knln(n)，其中n为待排序列中记录的个数，k为某个常数，在所有同数量级的先进的排序算法中，快速排序的常数因子k最小。

　　因此，就平均性能而言，快速排序是目前被认为是最好的一种内部排序方法。通常认为快速排序在平均情况下的时间复杂度为O(nlogn)。

　　但是，快速排序也不是完美的。

　　若初始记录序列按关键字有序或基本有序，快速排序将蜕化为冒泡排序，其时间复杂度为O(n²)。

　　原因：因为每次的枢轴都选择第一个元素，在有序的情况下，性能就蜕化了。

　　如下图：

                       

快速排序的空间利用情况

　　从空间上看，快速排序需要一个栈空间来实现递归。

　　若每一趟排序都将记录序列分割成长度相接近的两个子序列，则栈的最大深度为log₂n+1（包括最外层参量进栈）；但是，若每趟排序之后，枢轴位置均偏向子序列的一端，则为最坏情况，栈的最大深度为n。

　　如果在一趟划分之后比较分割所得两部分的长度，且先对长度短的子序列中的记录进行快速排序，则栈的最大深度可降为O(logn)。

性能改善

　　为改进快速排序算法，随机选取界点或最左、最右、中间三个元素中的值处于中间的作为界点，通常可以避免原始序列有序的最坏情况。

　　然而，即使如此，也不能使快速排序在待排记录序列已按关键字有序的情况下达到O(n)的时间复杂度（冒泡排序可以达到）。

　　为此，可以如下修改划分算法：在指针high减去1和low增加1的同时进行“起泡”操作，即在相邻两个记录处于“逆序”时进行互换，同时在算法中附设两个布尔型变量分别指示指针low和high在从两端向中间移动的过程中是否进行过交换记录的操作，若没有，则不需要对低端或高端子表进行排序，这将进一步改善快速排序的平均性能。

　　另外，将递归算法改为非递归算法，也将加快速度，因为避免了进出栈和恢复断点等工作。