基础算法学习笔记—快速排序

由于最近本人要参加面试，复习了一下本科学习过的一些重要的基础算法，在此总结归纳知识点，内容主要参考自百度百科并做了一些相应的修改。


快速排序

1） 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。

2）算法介绍：设要排序的数组是A[0]……A[N-1]，首先任意选取一个数据（通常选用数组的第一个数）作为关键数据，然后将所有比它小的数都放到它前面，所有比它大的数都放到它后面，这个过程称为一趟快速排序。值得注意的是，快速排序不是一种稳定的排序算法，也就是说，多个相同的值的相对位置也许会在算法结束时产生变动。

一趟快速排序的算法是：
1）设置两个变量i、j，排序开始的时候：i=0，j=N-1；
2）以第一个数组元素作为关键数据，赋值给key，即key=A[0]；
3）从j开始向前搜索，即由后开始向前搜索(j--)，找到第一个小于key的值A[j]，将A[j]和A[i]互换；
4）从i开始向后搜索，即由前开始向后搜索(i++)，找到第一个大于key的A[i]，将A[i]和A[j]互换；
5）重复第3、4步，直到i=j； (3,4步中，没找到符合条件的值，即3中A[j]不小于key,4中A[i]不大于key的时候改变j、i的值，使得j=j-1，i=i+1，直至找到为止。找到符合条件的值，进行交换的时候i， j指针位置不变。另外，i==j这一过程一定正好是i+或j-完成的时候，此时令循环结束）。
3）示例
假设用户输入了如下数组：



我们要把所有比k小的数移动到k的左面，所以我们可以开始寻找比6小的数，从j开始，从右往左找，不断递减变量j的值，我们找到第一个下标3的数据比6小，于是把数据3移到下标0的位置，把下标0的数据6移到下标3，完成第一次比较：创建变量i=0（指向第一个数据）,j=5(指向最后一个数据), k=6(赋值为第一个数据的值)。



接着，开始第二次比较，这次要变成找比k大的了，而且要从前往后找了。递加变量i，发现下标2的数据是第一个比k大的，于是用下标2的数据7和j指向的下标3的数据的6做交换，数据状态变成下表：i=0 j=3 k=6



称上面两次比较为一个循环。i=2 j=3 k=6
接着，再递减变量j，不断重复进行上面的循环比较。
在本例中，我们进行一次循环，就发现i和j“碰头”了：他们都指向了下标2。于是，第一遍比较结束。得到结果如下，凡是k(=6)左边的数都比它小，凡是k右边的数都比它大：

下标	0	1	2	3	4	5
数据	3	2	6	7	8	9

如果i和j没有碰头的话，就递加i找大的，还没有，就再递减j找小的，如此反复，不断循环。注意判断和寻找是同时进行的。
然后，对k两边的数据，再分组分别进行上述的过程，直到不能再分组为止。
注意：第一遍快速排序不会直接得到最终结果，只会把比k大和比k小的数分到k的两边。为了得到最后结果，需要再次对下标2两边的数组分别执行此步骤，然后再分解数组，直到数组不能再分解为止（只有一个数据），才能得到正确结果。
4）代码实现
　

Public　void　quickSort(int　arr[],int　low,int　high){
　int　l=low; int　h=high; int　posit=arr[low];
　while(l<h){
　while(l<h && arr[h]>=posit){
　            h--;
}
　         if(l<h){
　            int　temp=arr[h];arr[h]=arr[l]; arr[l]=temp;　l++;
　          }
　while(l<h && arr[l]<=povit){
　            l++;
}
if(l<h){
　            int　temp=arr[h];arr[h]=arr[l]; arr[l]=temp; h--;
　         }
　     }
　if(l>low)  sort(arr,low,l-1);
　     if(h<high)  sort(arr,l+1,high);
　}

5)复杂度分析 不稳定
时间复杂度：平均和最优O(NlogN),最坏O(N*2);
空间复杂度：O(logN) ~ (N);
我们来分析一下快速排序法的性能。快速排序的时间性能取决于快速排序递归的深度，可以用递归树来描述递归算法的执行情况。如图9‐9‐7所示，它是{50,10,90,30, 70,40,80,60,20}在快速排序过程中的递归过程。由于我们的第一个关键字是50，正好是待排序的序列的中间值，因此递归树是平衡的，此时性能也比较好。
在最优情况下，Partition每次都划分得很均匀，如果排序n个关键字，其递归树的深度就为.log2n.+1（.x.表示不大于x的最大整数），即仅需递归log2n次，需要时间为T（n）的话，第一次Partiation应该是需要对整个数组扫描一遍，做n次比较。然后，获得的枢轴将数组一分为二，那么各自还需要T（n/2）的时间（注意是最好情况，所以平分两半）。于是不断地划分下去，我们就有了下面的不等式推断。
1.   T（n）≤2T（n/2） +n，T（1）=0  
2.   T（n）≤2（2T（n/4）+n/2） +n=4T（n/4）+2n  
3.   T（n）≤4（2T（n/8）+n/4） +2n=8T（n/8）+3n  
4.   ……  
5.   T（n）≤nT（1）+（log2n）×n= O(nlogn) 
也就是说，在最优的情况下，快速排序算法的时间复杂度为O(nlogn)。
在最坏的情况下，待排序的序列为正序或者逆序，每次划分只得到一个比上一次划分少一个记录的子序列，注意另一个为空。如果递归树画出来，它就是一棵斜树。此时需要执行n‐1次递归调用，且第i次划分需要经过n‐i次关键字的比较才能找到第i个记录，也就是枢轴的位置，因此比较次数为 ，最终其时间复杂度为O(n2)。
平均的情况，设枢轴的关键字应该在第k的位置（1≤k≤n），那么：
由数学归纳法可证明，其数量级为O(nlogn)。
就空间复杂度来说，主要是递归造成的栈空间的使用，最好情况，递归树的深度为log2n，其空间复杂度也就为O(logn)，最坏情况，需要进行n‐1递归调用，其空间复杂度为O(n)，平均情况，空间复杂度也为O(logn)。
可惜的是，由于关键字的比较和交换是跳跃进行的，因此，快速排序是一种不稳定的排序方法。