经典排序算法原理解析与优劣对比
衡量一个排序算法的优劣，我们主要会从以下 3 个角度进行分析：
1．时间复杂度，具体包括，最好时间复杂度、最坏时间复杂度以及平均时间复杂度。
2．空间复杂度，如果空间复杂度为 1，也叫作原地排序。
3．稳定性，排序的稳定性是指相等的数据对象，在排序之后，顺序是否能保证不变。
【冒泡排序】
冒泡排序最好时间复杂度是 O(n)；
冒泡排序最坏时间复杂度会比较惨，是 O(n*n)；
平均时间复杂度也是 O(n*n)；
冒泡排序不需要额外的空间，所以空间复杂度是 O(1)；
冒泡排序过程中，当元素相同时不做交换，所以冒泡排序是稳定的排序算法。
实现如下：
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public static void bubbleSort(int[] nums) { int size = nums.length; for (int i=0; i<size; i++) { for (int j=i; j<size; j++) { if (nums[i] > nums[j]) { int temp = nums[i]; nums[i] = nums[j]; nums[j] = temp; } } } } |
【插入排序】
插入排序最好时间复杂度是 O(n)；
插入排序最坏时间复杂度则需要 O(n*n)；
插入排序的平均时间复杂度是 O(n*n)；
插入排序不需要开辟额外的空间，所以空间复杂度是 O(1)；
插入排序是稳定的排序算法；
实现如下：
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public static void sortInsert(int[] nums) { int size = nums.length; for (int i = 1; i<size; i++) { int temp = nums[i]; int j=i-1; for (; j>=0; j--) { if (temp < nums[j]) { nums[j+1] = nums[j]; } else { break; } } nums[j+1] = temp; } } |
相同点
插入排序和冒泡排序的平均时间复杂度都是 O(n*n)，且都是稳定的排序算法，都属于原地排序。
差异点
冒泡排序每轮的交换操作是动态的，所以需要三个赋值操作才能完成；
而插入排序每轮的交换动作会固定待插入的数据，因此只需要一步赋值操作。
【归并排序】
归并排序的原理其实就是我们上一课时讲的分治法。
它首先将数组不断地二分，直到最后每个部分只包含 1 个数据。然后再对每个部分分别进行排序，最后将排序好的相邻的两部分合并在一起，这样整个数组就有序了。
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public static void mergeSort(int[] arr) { int len = arr.length; int[] result = new int[len]; merge(arr, result, 0, len - 1); }
public static void merge(int[] arr, int[] result, int start, int end) { if (start >= end) { return; } int len = end - start; int mid = (len >> 1) + start; int start1 = start, end1 = mid; int start2 = mid + 1, end2 = end; merge(arr, result, start1, end1); merge(arr, result, start2, end2); int k = start; while (start1 <= end1 && start2 <= end2) { result[k++] = arr[start1] < arr[start2] ? arr[start1++] : arr[start2++]; } while (start1 <= end1){ result[k++] = arr[start1++]; } while (start2 <= end2){ result[k++] = arr[start2++]; } for (int i = start; i <= end; i++) { arr[i] = result[i]; } } |
对于归并排序，它采用了二分的迭代方式，复杂度是 logn。
每次的迭代，需要对两个有序数组进行合并，这样的动作在 O(n) 的时间复杂度下就可以完成。
因此，归并排序的复杂度就是二者的乘积 O(nlogn)。
同时，它的执行频次与输入序列无关，因此，归并排序最好、最坏、平均时间复杂度都是 O(nlogn)。
空间复杂度方面，由于每次合并的操作都需要开辟基于数组的临时内存空间，所以空间复杂度为 O(n)。
归并排序合并的时候，相同元素的前后顺序不变，所以归并是稳定的排序算法。
【快速排序】
快速排序法的原理也是分治法。
它的每轮迭代，会选取数组中任意一个数据作为分区点，将小于它的元素放在它的左侧，大于它的放在它的右侧。
再利用分治思想，继续分别对左右两侧进行同样的操作，直至每个区间缩小为 1，则完成排序。
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public static void fastSort(int[] nums, int start, int end) { int low = start; int high = end; if (low >= high) { return; }
int standData = nums[start]; while (low < high) { while (low < high && nums[high] >= standData) { high--; } while (low < high && nums[low] <= standData) { low++; } int temp = nums[low]; nums[low] = nums[high]; nums[high] = temp; } nums[start] = nums[low]; nums[low] = standData;
if(low - 1 > start) { fastSort(nums, start, low - 1); } if(high + 1 < end) { fastSort(nums, high + 1, end); } } |
在快排的最好时间的复杂度下，如果每次选取分区点时，都能选中中位数，把数组等分成两个，那么此时的时间复杂度和归并一样，都是 O(n*logn)。
而在最坏的时间复杂度下，也就是如果每次分区都选中了最小值或最大值，得到不均等的两组。那么就需要 n 次的分区操作，每次分区平均扫描 n / 2 个元素，此时时间复杂度就退化为 O(n*n) 了。
快速排序法在大部分情况下，统计上是很难选到极端情况的。因此它平均的时间复杂度是 O(n*logn)。
快速排序法的空间方面，使用了交换法，因此空间复杂度为 O(1)。
很显然，快速排序的分区过程涉及交换操作，所以快排是不稳定的排序算法。
【总结】
如果对数据规模比较小的数据进行排序，可以选择时间复杂度为 O(n*n) 的排序算法。
但对数据规模比较大的数据进行排序，就需要选择时间复杂度为 O(nlogn) 的排序算法了。
归并排序的空间复杂度为 O(n)，也就意味着当排序 100M 的数据，就需要 200M 的空间，所以对空间资源消耗会很多。
快速排序在平均时间复杂度为 O(nlogn)，但是如果分区点选择不好的话，最坏的时间复杂度也有可能逼近 O(n*n)。而且快速排序不具备稳定性，这也需要看你所面对的问题是否有稳定性的需求。
