交换排序算法

A. 排序算法概述

十大排序算法：冒泡排序，选择排序，插入排序，归并排序，堆排序，快速排序、希尔排序、计数排序，基数排序，桶排序

稳定 ：如果a原本在b前面，而a=b，排序之后a仍然在b的前面；
不稳定 ：如果a原本在b的前面，而a=b，排序之后a可能会出现在b的后面；
排序算法如果是稳定的，那么从一个键上排序，然后再从另一个键上排序，前一个键排序的结果可以为后一个键排序所用。

算法的复杂度往往取决于数据的规模大小和数据本身分布性质。
时间复杂度 ： 一个算法执行所耗费的时间。
空间复杂度 ：对一个算法在运行过程中临时占用存储空间大小的量度。
常见复杂度由小到大 ：O(1) < O(logn) < O(n) < O(nlogn) < O(n^2) < O(n^3) < O(2^n)

在各种不同算法中，若算法中语句执行次数(占用空间)为一个常数，则复杂度为O(1)；
当一个算法的复杂度与以2为底的n的对数成正比时，可表示为O(log n)；
当一个算法的复杂度与n成线性比例关系时，可表示为O (n)，依次类推。

冒泡、选择、插入排序需要两个for循环，每次只关注一个元素，平均时间复杂度为
（一遍找元素O(n)，一遍找位置O(n)）
快速、归并、堆基于分治思想，log以2为底，平均时间复杂度往往和O(nlogn)（一遍找元素O(n)，一遍找位置O(logn)）相关
而希尔排序依赖于所取增量序列的性质，但是到目前为止还没有一个最好的增量序列 。例如希尔增量序列时间复杂度为O(n²)，而Hibbard增量序列的希尔排序的时间复杂度为 ， 有人在大量的实验后得出结论;当n在某个特定的范围后希尔排序的最小时间复杂度大约为n^1.3。

从平均时间来看，快速排序是效率最高的：
快速排序中平均时间复杂度O(nlog n)，这个公式中隐含的常数因子很小，比归并排序的O(nlog n)中的要小很多，所以大多数情况下，快速排序总是优于合并排序的。

而堆排序的平均时间复杂度也是O(nlog n)，但是堆排序存在着重建堆的过程，它把根节点移除后，把最后的叶子结点拿上来后需要重建堆，但是，拿上的值是要比它的两个叶子结点要差很多的，一般要比较很多次，才能回到合适的位置。堆排序就会有很多的时间耗在堆调整上。

虽然快速排序的最坏情况为排序规模（n）的平方关系，但是这种最坏情况取决于每次选择的基准， 对于这种情况，已经提出了很多优化的方法，比如三取样划分和Dual-Pivot快排。
同时，当排序规模较小时，划分的平衡性容易被打破，而且频繁的方法调用超过了O(nlog n)为
省出的时间，所以一般排序规模较小时，会改用插入排序或者其他排序算法。

一种简单的排序算法。它反复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。这个工作重复地进行直到没有元素再需要交换，也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。
1.从数组头开始，比较相邻的元素。如果第一个比第二个大(小)，就交换它们两个；
2.对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到尾部的最后一对，这样在最后的元素应该会是最大(小)的数；
3.重复步骤1~2，重复次数等于数组的长度，直到排序完成。

首先，找到数组中最大（小）的那个元素；
其次，将它和数组的第一个元素交换位置（如果第一个元素就是最大（小）元素那么它就和自己交换）；
再次，在剩下的元素中找到最大（小）的元素，将它与数组的第二个元素交换位置。如此往复，直到将整个数组排序。
这种方法叫做选择排序，因为它在不断地选择剩余元素之中的最大（小）者。

对于未排序数据，在已排序序列中从后向前扫描，找到相应位置并插入。
为了给要插入的元素腾出空间，我们需要将插入位置之后的已排序元素在都向后移动一位。
插入排序所需的时间取决于输入中元素的初始顺序。例如，对一个很大且其中的元素已经有序（或接近有序）的数组进行排序将会比对随机顺序的数组或是逆序数组进行排序要快得多。
总的来说，插入排序对于部分有序的数组十分高效，也很适合小规模数组。

一种基于插入排序的快速的排序算法。简单插入排序对于大规模乱序数组很慢，因为元素只能一点一点地从数组的一端移动到另一端。例如，如果主键最小的元素正好在数组的尽头，要将它挪到正确的位置就需要N-1 次移动。
希尔排序为了加快速度简单地改进了插入排序，也称为缩小增量排序，同时该算法是突破O(n^2）的第一批算法之一。
希尔排序是把待排序数组按一定数量的分组，对每组使用直接插入排序算法排序；然后缩小数量继续分组排序，随着数量逐渐减少，每组包含的元素越来越多，当数量减至 1 时，整个数组恰被分成一组，排序便完成了。这个不断缩小的数量，就构成了一个增量序列。

在先前较大的增量下每个子序列的规模都不大,用直接插入排序效率都较高，尽管在随后的增量递减分组中子序列越来越大,由于整个序列的有序性也越来越明显,则排序效率依然较高。
从理论上说，只要一个数组是递减的，并且最后一个值是1，都可以作为增量序列使用。有没有一个步长序列,使得排序过程中所需的比较和移动次数相对较少,并且无论待排序列记录数有多少,算法的时间复杂度都能渐近最佳呢？但是目前从数学上来说，无法证明某个序列是“最好的”。
常用的增量序列
希尔增量序列 ：{N/2, (N / 2)/2, ..., 1}，其中N为原始数组的长度，这是最常用的序列，但却不是最好的
Hibbard序列：{2^k-1, ..., 3,1}
Sedgewick序列：{... , 109 , 41 , 19 , 5，1} 表达式为

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法的一个非常典型的应用。
对于给定的一组数据，利用递归与分治技术将数据序列划分成为越来越小的半子表，在对半子表排序后，再用递归方法将排好序的半子表合并成为越来越大的有序序列。
为了提升性能，有时我们在半子表的个数小于某个数（比如15）的情况下，对半子表的排序采用其他排序算法，比如插入排序。
若将两个有序表合并成一个有序表，称为2-路归并，与之对应的还有多路归并。

快速排序（Quicksort）是对冒泡排序的一种改进，也是采用分治法的一个典型的应用。
首先任意选取一个数据（比如数组的第一个数）作为关键数据，我们称为基准数(Pivot)，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，也称为分区（partition）操作。
通过一趟快速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，以此达到整个数组变成有序序列。
为了提升性能，有时我们在分割后独立的两部分的个数小于某个数（比如15）的情况下，会采用其他排序算法，比如插入排序。

基准的选取：最优的情况是基准值刚好取在无序区数值的中位数，这样能够最大效率地让两边排序，同时最大地减少递归划分的次数，但是一般很难做到最优。基准的选取一般有三种方式，选取数组的第一个元素，选取数组的最后一个元素，以及选取第一个、最后一个以及中间的元素的中位数（如4 5 6 7, 第一个4, 最后一个7, 中间的为5, 这三个数的中位数为5, 所以选择5作为基准）。
Dual-Pivot快排：双基准快速排序算法，其实就是用两个基准数, 把整个数组分成三份来进行快速排序，在这种新的算法下面，比经典快排从实验来看节省了10%的时间。

许多应用程序都需要处理有序的元素，但不一定要求他们全部有序，或者不一定要一次就将他们排序，很多时候，我们每次只需要操作数据中的最大元素（最小元素），那么有一种基于二叉堆的数据结构可以提供支持。
所谓二叉堆，是一个完全二叉树的结构，同时满足堆的性质：即子结点的键值或索引总是小于（或者大于）它的父节点。在一个二叉堆中，根节点总是最大（或者最小）节点。
堆排序算法就是抓住了这一特点，每次都取堆顶的元素，然后将剩余的元素重新调整为最大（最小）堆，依次类推，最终得到排序的序列。

推论1：对于位置为K的结点 左子结点=2 k+1 右子结点=2 (k+1)
验证：C:2 2 2+1=5 2 (2+1)=6
推论2：最后一个非叶节点的位置为 (N/2)-1，N为数组长度。
验证：数组长度为6，(6/2)-1=2

计数排序对一定范围内的整数排序时候的速度非常快，一般快于其他排序算法。但计数排序局限性比较大，只限于对整数进行排序，而且待排序元素值分布较连续、跨度小的情况。
计数排序是一个排序时不比较元素大小的排序算法。
如果一个数组里所有元素都是整数，而且都在0-K以内。对于数组里每个元素来说，如果能知道数组里有多少项小于或等于该元素，就能准确地给出该元素在排序后的数组的位置。

桶排序 (Bucket sort)的工作的原理：假设输入数据服从均匀分布，利用某种函数的映射关系将数据分到有限数量的桶里，每个桶再分别排序（有可能再使用别的排序算法或是以递归方式继续使用桶排序）。
桶排序利用函数的映射关系，减少了几乎所有的比较工作。实际上，桶排序的f(k)值的计算，其作用就相当于快排中划分，已经把大量数据分割成了基本有序的数据块(桶)。然后只需要对桶中的少量数据做排序即可。

常见的数据元素一般是由若干位组成的，比如字符串由若干字符组成，整数由若干位0~9数字组成。基数排序按照从右往左的顺序，依次将每一位都当做一次关键字，然后按照该关键字对数组排序，同时每一轮排序都基于上轮排序后的结果；当我们将所有的位排序后，整个数组就达到有序状态。基数排序不是基于比较的算法。
基数是什么意思？对于十进制整数，每一位都只可能是0~9中的某一个，总共10种可能。那10就是它的基，同理二进制数字的基为2；对于字符串，如果它使用的是8位的扩展ASCII字符集，那么它的基就是256。

基数排序 vs 计数排序 vs 桶排序

基数排序有两种方法：
MSD 从高位开始进行排序
LSD 从低位开始进行排序
这三种排序算法都利用了桶的概念，但对桶的使用方法上有明显差异：
基数排序：根据键值的每位数字来分配桶
计数排序：每个桶只存储单一键值
桶排序：每个桶存储一定范围的数值

有时，待排序的文件很大，计算机内存不能容纳整个文件，这时候对文件就不能使用内部排序了（我们一般的排序都是在内存中做的，所以称之为内部排序，而外部排序是指待排序的内容不能在内存中一下子完成，它需要做内外存的内容交换），外部排序常采用的排序方法也是归并排序，这种归并方法由两个不同的阶段组成：
采用适当的内部排序方法对输入文件的每个片段进行排序，将排好序的片段（成为归并段）写到外部存储器中（通常由一个可用的磁盘作为临时缓冲区），这样临时缓冲区中的每个归并段的内容是有序的。
利用归并算法，归并第一阶段生成的归并段，直到只剩下一个归并段为止。

例如要对外存中4500个记录进行归并，而内存大小只能容纳750个记录，在第一阶段，我们可以每次读取750个记录进行排序，这样可以分六次读取，进行排序，可以得到六个有序的归并段
每个归并段的大小是750个记录，并将这些归并段全部写到临时缓冲区（由一个可用的磁盘充当）内了，这是第一步的排序结果。
完成第二步该怎么做呢？这时候归并算法就有用处了。

B. 常见排序算法归纳

排序算法一般分类：

比较两个相邻的元素，将值大的元素交换至右端。

依次比较两个相邻的数，将小数放到前面，大数放到后面

即在第一趟：首先比较第1个数和第2个数，将小数放前，大数放后。然后比较第2个数和第3个数，将小数放前，大数放后，如此一直继续下去，直到比较最后两个数，将小数放前，大数放后。然后重复第一趟步骤，直到所有排序完成。

第一趟比较完成后，最后一个数一定是数组中最大的一个数，所以第二趟比较的时候最后一个数不参与比较。

第二趟完成后，倒数第二个数也一定是数组中第二大的数，所以第三趟比较的时候最后两个数不参与比较。

依次类推......

输出结果：

冒泡排序的优点： 每进行一趟排序，就会少比较一次，因为每进行一趟排序都会找出一个较大值。如上例：第一趟比较之后，排在最后的一个数一定是最大的一个数，第二趟排序的时候，只需要比较除了最后一个数以外的其他的数，同样也能找出一个最大的数排在参与第二趟比较的数后面，第三趟比较的时候，只需要比较除了最后两个数以外的其他的数，以此类推……也就是说，没进行一趟比较，每一趟少比较一次，一定程度上减少了算法的量。

用时间复杂度来说：

从一个数组中随机选出一个数N，通过一趟排序将数组分割成三个部分，1、小于N的区域 2、等于N的区域 3、大于N的区域，然后再按照此方法对小于区的和大于区分别递归进行，从而达到整个数据变成有序数组。

如下图：

假设最开始的基准数据为数组的第一个元素23，则首先用一个临时变量去存储基准数据，即 tmp=23 ，然后分别从数组的两端扫描数组，设两个指示标志： low 指向起始位置， high 指向末尾。

首先从后半部分开始，如果 扫描到的值大于基准数据 就让 high-1 ，如果发现有元素比该基准数据的值小，比如上面的 18 <= tmp ，就让 high位置的值赋值给low位置 ，结果如下：

然后开始从前往后扫描，如果扫描到的值小于基准数据就让 low+1 ，如果发现有元素大于基准数据的值，比如上图 46 >= tmp ，就再将 low 位置的值赋值给 high 位置的值，指针移动并且数据交换后的结果如下：

然后再开始从前往后遍历，直到 low=high 结束循环，此时low或者high的下标就是 基准数据23在该数组中的正确索引位置 ，如下图所示：

这样一遍遍的走下来，可以很清楚的知道，快排的本质就是把比基准数据小的都放到基准数的左边，比基准数大的数都放到基准数的右边，这样就找到了该数据在数组中的正确位置。

然后采用递归的方式分别对前半部分和后半部分排序，最终结果就是自然有序的了。

输出结果：

最好情况下快排每次能恰好均分序列，那么时间复杂度就是O(nlogn)，最坏情况下，快排每次划分都只能将序列分为一个元素和其它元素两部分，这时候的快排退化成冒泡排序，时间复杂度为O(n^2)。

插入排序的基本操作就是将一个数据插入到已经排好序的有序数据中，从而得到一个新的、个数加一的有序数据，算法适用于少量数据的排序，时间复杂度为O(n^2)。是稳定的排序方法。

将一个数据插入到 已经排好序的有序数据 中

第一趟排序：

用数组的第二个数与第一个数( 看成是已有序的数据 )比较

第二趟排序：

用数组的第三个数与已是有序的数据 {2,3} (刚才在第一趟排的)比较

在第二步中：

...

后面依此类推

输出结果：

选择排序是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是每一次从待排序的数据元素中选出最小（或最大）的一个元素，存放在序列的起始位置，然后，再从剩余未排序元素中继续寻找最小（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此类推，直到全部待排序的数据元素排完。 选择排序是不稳定的排序方法。

举例：数组 int[] arr={5,2,8,4,9,1}

第一趟排序 ： 原始数据： 5 2 8 4 9 1

最小数据1，把1放在首位，也就是1和5互换位置，

排序结果： 1 2 8 4 9 5

第二趟排序 ：

第1以外的数据 {2 8 4 9 5} 进行比较，2最小，

排序结果： 1 2 8 4 9 5

第三趟排序 ：

除 1、2 以外的数据 {8 4 9 5} 进行比较，4最小，8和4交换

排序结果： 1 2 4 8 9 5

第四趟排序 :

除第 1、2、4 以外的其他数据 {8 9 5} 进行比较，5最小，8和5交换

排序结果： 1 2 4 5 9 8

第五趟排序：

除第 1、2、4、5 以外的其他数据 {9 8} 进行比较，8最小，8和9交换

排序结果： 1 2 4 5 8 9

输出结果：

归并排序（merge sort）是利用归并的思想实现的排序方法，该算法采用经典的分治（divide-and-conquer）策略（分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解，而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起，即分而治之)。

比如我们对 [8,4,5,7,1,3,6,2] 这个数组进行归并排序，我们首先利用分治思想的“分”将数组拆分。

输出结果：

C. 常见的几种排序算法总结

对于非科班生的我来说，算法似乎对我来说是个难点，查阅了一些资料，趁此来了解一下几种排序算法。
首先了解一下，什么是程序

关于排序算法通常我们所说的往往指的是内部排序算法，即数据记录在内存中进行排序。
排序算法大体可分为两种：
一种是比较排序，时间复杂度O(nlogn) ~ O(n^2)，主要有：冒泡排序，选择排序，插入排序，归并排序，堆排序，快速排序等。
另一种是非比较排序，时间复杂度可以达到O(n)，主要有：计数排序，基数排序，桶排序等

冒泡排序它重复地走访过要排序的元素，一次比较相邻两个元素，如果他们的顺序错误就把他们调换过来，直到没有元素再需要交换，排序完成。这个算法的名字由来是因为越小(或越大)的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

选择排序类似于冒泡排序，只不过选择排序是首先在未排序的序列中找到最小值（最大值），放到序列的起始位置，然后再从剩余未排序元素中继续寻找最小（大）元素，放到已排序序列的末尾，以此类推，直到所有元素均排序完毕。

插入排序比冒泡排序和选择排序更有效率，插入排序类似于生活中抓扑克牌来。
插入排序具体算法描述，以数组[3, 2, 4, 5, 1]为例。

前面三种排序算法只有教学价值，因为效率低，很少实际使用。归并排序（Merge sort）则是一种被广泛使用的排序方法。
它的基本思想是，将两个已经排序的数组合并，要比从头开始排序所有元素来得快。因此，可以将数组拆开，分成n个只有一个元素的数组，然后不断地两两合并，直到全部排序完成。
以对数组[3, 2, 4, 5, 1] 进行从小到大排序为例，步骤如下：

有了merge函数，就可以对任意数组排序了。基本方法是将数组不断地拆成两半，直到每一半只包含零个元素或一个元素为止，然后就用merge函数，将拆成两半的数组不断合并，直到合并成一整个排序完成的数组。

快速排序（quick sort）是公认最快的排序算法之一，有着广泛的应用。
快速排序算法步骤

参考：
常用排序算法总结(一)
阮一峰-算法总结