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   -> 数据结构与算法 -> 对单链表进行快速排序 -> 正文阅读

[数据结构与算法]对单链表进行快速排序

快速排序简介


能点进这篇文章的网友们,我相信对快速排序是有一定了解的,这里不详细介绍快速排序的定义,有想进一步掌握快速排序的实现及原理的可参考这篇文章 快排的递归及非递归实现
下面进入主题,如何对一单链表进行快排呢?我们知道快速排序的核心在于这样一个步骤,即选择某个元素作为基准base,想办法让待排序的序列中所有小于base的元素在左边,所有大于base的元素在右边,之后分别对base的左边和右边重复上述步骤,最终整个序列有序。为此,我们可以想到,如果对单链表也能进行这样的步骤,即选择单链表的某个元素作为base,想办法让整个单链表的元素小于base的在左边,大于base的在右边,之后再对左右两边进行同样步骤,即本文章的主题对单链表进行快速排序。

对单链表使用partition


首先考虑这样一个问题,给定一个单链表的头节点head,节点类型定义如下:

public class Node {
        public int val;
        public Node next;

        public Node(int val) {
            this.val = val;
        }
}

以及一个int类型的值target,当然不是让你在这个单链表中寻找是否存在这个值,要求是让你原地调整这个单链表,使得单链表中节点值val小于target的在左边,等于的在中间,大于的在右边,可以发现这跟快速排序的核心步骤很类似,能实现这个功能,离快速排序就不远了。下面提供思路:
定义6个Node类型的变量:

		Node smallHead = null, smallTail = null;
        Node midHead = null, midTail = null;
        Node bigHead = null, bigTail = null;

见名知意,很好理解,就不解释了,初始都为null,然后遍历单链表head,小于target的往smallTail后面连接,等于target的往midTail后面连接,大于target的往bigTail后面连接,最后让smallTail连接midHead,midTail连接bigHead,完毕,当然处理过程中需要对为null的情况进行判断,举个例子:

head:2->5->3->8->6->5->1     target=5
遍历过后,
smallHead->smallTail : 2->3->1
midHead->midTail : 5->5
bigHead->bigTail : 8->6
最终head变为:2->3->1->5->5->8->6

代码实现及测试


链表快排代码如下:

public class SingleLinkedList {

    public static class Node {
        public int val;
        public Node next;

        public Node(int val) {
            this.val = val;
        }
    }

    /**
     * 对head至tail部分进行排序
     * @param head
     * @param tail
     * @return
     */
    public Node quickSort(Node head, Node tail) {
        if (head == null || head.next == tail) {
            return head;
        }
        
        /*****************************partition部分*******************************/
        Node smallHead = null, smallTail = null;
        Node midHead = null, midTail = null;
        Node bigHead = null, bigTail = null;
        Node next;
        int val = head.val;
        while (head != tail) {
            next = head.next;
            if (head.val < val) {
                if (smallHead == null) {
                    smallHead = smallTail = head;
                } else {
                    smallTail.next = head;
                    smallTail = head;
                }
            } else if (head.val == val) {
                if (midHead == null) {
                    midHead = midTail = head;
                } else {
                    midTail.next = head;
                    midTail = head;
                }
            } else if (head.val > val) {
                if (bigHead == null) {
                    bigHead = bigTail = head;
                } else {
                    bigTail.next = head;
                    bigTail = head;
                }
            }
            head.next = null;
            head = next;
        }
        /*****************************partition部分*******************************/

        /********************************连接部分**********************************/
        if (smallHead == null) {
            smallHead = midHead;
        } else {
            smallTail.next = midHead;
            smallHead = quickSort(smallHead, midHead);
        }
        if (bigHead == null) {
            midTail.next = tail;
        } else {
            bigHead = quickSort(bigHead, null);
            midTail.next = bigHead;
            // 找到bigHead的最后一个节点,并连接上之前的tail,防止链表断裂
            if (bigHead != null && tail != null) {
                while (bigHead.next != null) {
                    bigHead = bigHead.next;
                }
                bigHead.next = tail;
            }
        }
        /********************************连接部分**********************************/
        
        return smallHead;
    }
}

测试类如下:

import java.util.Arrays;

public class TestSingleLinkedList {
    // 测试次数
    public static final int TIMES = 800000;
    // 元素个数
    public static final int SIZE = 10000;
    // 元素最大值
    public static final int MAX = 10000;
    // 元素最小值
    public static final int MIN = -10000;
    // 辅助数组,用于验证
    public static int[] array;
    // 头节点,游标
    public static SingleLinkedList.Node head, cur;

    public static void main(String[] args) {
        SingleLinkedList sll = new SingleLinkedList();
        for (int i = 0; i < TIMES; i++) {
            init();
            head = sll.quickSort(head, null);
            if (!verify()) {
                System.out.println(head);
                System.out.println("error!");
                System.out.println(Arrays.toString(array));
                break;
            }
        }
        System.out.println(" All test case successfully pass!Accepted!");
    }

    /**
     * 验证
     * @return
     */
    public static boolean verify(){
        cur = head;
        int i;
        Arrays.sort(array);
        for (i = 0; i < SIZE && cur != null; i++, cur = cur.next) {
            if (cur.val != array[i]) {
                return false;
            }
        }
        // 确保经排序后的链表节点个数一致
        return i == SIZE && cur == null;
    }

    /**
     * 初始化,赋值
     */
    public static void init(){
        // 生成[MIN,MAX]之间的随机数
        int val = (int) (Math.random() * (MAX - MIN) + MIN);
        head = new SingleLinkedList.Node(val);
        cur = head;
        array = new int[SIZE];
        array[0] = val;
        for (int i = 1; i < SIZE; i++) {
            val = (int) (Math.random() * (MAX - MIN) + MIN);
            cur.next = new SingleLinkedList.Node(val);
            cur = cur.next;
            array[i] = val;
        }
    }
}

笔者经过80万次数的测试,结果都是AC的,验证代码的正确性。

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加:2021-09-12 13:24:22  更:2021-09-12 13:25:07 
 
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