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[数据结构与算法]C语言丨快速排序法

程序员在程序设计时常常需要对存储在数组中的大量数据进行处理,如排序、查找等。排序是把一系列无序的数据按照特定的顺序(如升序或降序)重新排列为有序序列的过程。对数据进行排序是最重要的应用之一。实际生活中的很多问题都需要对数据进行排序。之前我们已经介绍过了交换排序法、选择排序法、冒泡排序法,这次我们来介绍一种经过优化的排序法:快速排序法


可以证明:经交换排序法优化后的选择排序法,以及冒泡排序法的时间复杂度都是O\left ( n^{2} \right ),面对数据量较小的待排序数据时,他们的效率都很不错。但一旦面对成万上亿的数据时,这种时间复杂度的算法就感觉略微有些吃力了,这时我们就需要一种更优化的算法:快速排序法。从名字上也可以得知,这种算法之所以被称为“快速排序法”,原因就是因为其效率之高、速度之快,它的时间复杂度是O\left ( nlog_{2}n \right )

让我们来回顾一下冒泡排序法的原理:重复扫描待排序序列,并比较每一对相邻的元素,当该对元素顺序不正确时进行交换。一直重复这个过程,直到没有任何两个相邻元素可以交换,就表明完成了排序。冒泡排序法进行的交换操作是对两个相邻的数进行交换,在最坏的情况下n个数需要n-1次交换,那我们能不能通过优化,减少交换的次数?

我们可以运用二分的思想,对冒泡排序法进行一些优化(以下介绍以按升序排列为例):首先在待排序数据中选定一个基准数(通常为第一个数据),接着将数据中小于基准数的数据移到基准数的左边,将大于基准数的数据移到基准数的右边,于是我们便将数据二分成了两份;接着对于基准数左、右两边的数据,不断重复以上过程,直到每组数据中只有一个元素,即排序完成。

下面给定一组数据:28 32 14 12 53 42,定义一个数组int?array[6] = {28, 32, 14, 12, 53, 42};,并把定义两个变量begin和end,分别存储数组的第一个元素的下标和最后一个元素的下标,即int begin = 0, end = 6 - 1;

首先我们令基准数temp等于数组的第一个元素28,即int temp = array[0];,接着定义两个变量:i和j,并为i赋值为数组的首个元素的下标,为j赋值为数组的最后一个元素的下标,即int i = begin, j = end;。在第一重循环中,我们先让j从右向左移(因基准数是左边第一个数,故需先移动j),即j--,当array[j]<temp时,从例子来看,array[3]=12<temp,停止移动j;接下来让i从左向右移,即i++,当array[i]>temp时,从例子来看,array[1]=32>temp,停止移动i。此时交换array[j]与array[i],使原数据变为28 12 14 32 53 42,实现小于基准数的一个数移到基准数的左边,大于基准数的一个数移到基准数的右边这个功能。

紧接着继续移动j,此时找到了array[2]=14<temp,停止移动j,开始移动i,移动一次之后i和j相遇,即i=j,于是停止移动。此时把i和j相遇位置的数与基准数交换,使原数据变为14 12 28 32 53 42,这样就实现了我们想要达到的目的。

在第一轮操作中,可编写如下代码:

int array[n] = {...}//假设n为常数
int temp = array[0];
int begin = 0, end = n - 1;
int i = begin, j = end;
while (i!=j)
{
    while ((array[j]>=temp)&&(i<j))
    {
        j--;//当j所在的位置的数满足大于等于基准数,且i<j时,把j从右往左移动
    }
    while ((array[i]<=temp)&&(i<j))
    {
        i++;//当i所在的位置的数满足大于等于基准数,且i<j时,把i从左往右移动
    }
    if (i<j)
    {
        int t = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = t;
    }//交换两数
}
array[begin] = array[i];
array[i] = temp;//交换基准数与i和j相遇的位置的数

此时我们得到了两组数:基准数左边的数14 12和基准数右边的数32 53 42。此时重复上述步骤,直到基准数左边与右边少于等于一个数时(即begin>=end),认为排序完成。由于接下来的步骤与第一轮步骤一样,我们可以采用递归函数编写代码:

void QuickSort(int array[], int begin, int end)
{
    if (begin >= end)
    {
        return;
    }//递归函数的基线情况
    int temp = array[begin];
    int i = begin, j = end;
    while (i!=j)
    {
        while ((array[j]>=temp)&&(i<j))
        {
            j--;//当j所在的位置的数满足大于等于基准数,且i<j时,把j从右往左移动
        }
        while ((array[i]<=temp)&&(i<j))
        {
            i++;//当i所在的位置的数满足大于等于基准数,且i<j时,把i从左往右移动
        }
        if (i<j)
        {
            int t = array[i];
            array[i] = array[j];
            array[j] = t;
        }//交换两数
    }
    array[begin] = array[i];
    array[i] = temp;//交换基准数与i和j相遇的位置的数
    QuickSort(array, begin, i-1);//递归调用函数自身,对基准数左边的数据排序
    QuickSort(array, i+1, end);//递归调用函数自身,对基准数右边的数据排序
}

在main函数中,可通过如下方式调用快速排序函数QuickSort()

int main()
{
    int array[n] = {...};//假设n为常数
    int begin = 0, end = n - 1;
    QuickSort(array, begin, end);
    return 0;
}

由此便可通过快速排序法来快速排序我们的数据了🤤🤤。


除C语言外,很多语言的函数库都带有排序函数Sort(),其算法多数都是快速排序法,这也进一步证明了快速排序法的优越性。该算法的核心就是将二分的思想结合进入冒泡排序法中,将问题拆解,并使用递归的方式实现目的。


特别鸣谢?x0.0x?提供的思路,Evolution__?提供的技术支持。感谢两位大牛鼎力相助😁。

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加:2021-12-06 15:30:50  更:2021-12-06 15:33:23 
 
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