【数据结构】论如何拿捏快速排序？（含非递归）

目录

一，快速排序（递归）

1，快排思想

2，霍尔排序

3，挖坑法

4，前后指针法

5，快速排序优化

1，三数取中法选key

2，小区间优化

二，快速排序（非递归）

Stack.h

Stack.c

三，快速排序源代码

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一，快速排序（递归）

1，快排思想

快速排序是Hoare于1962年提出的一种二叉树结构的交换排序方法，其基本思想为：任取待排序元素序列中的某元素作为基准值，按照该排序码将待排序集合分割成两子序列，左子序列中所有元素均小于基准值，右子序列中所有元素均大于基准值，然后最左右子序列重复该过程，直到所有元素都排列在相应位置上为止；

基本代码思想如下： 

// 假设按照升序对array数组中[left, right)区间中的元素进行排序void QuickSort(int array[], int left, int right){ if(right < left) return;  // 按照基准值对array数组的 [left, right)区间中的元素进行划分 int div = partion(array, left, right);  // 划分成功后以div为边界形成了左右两部分 [left, div) 和 [div+1, right) // 递归排[left, div) QuickSort(array, left, div);  // 递归排[div+1, right) QuickSort(array, div+1, right);}

上述为快速排序递归实现的主框架，发现与二叉树前序遍历规则非常像，同学们在写递归框架时可想想二叉树前序遍历规则即可快速写出来，后序只需分析如何按照基准值来对区间中数据进行划分的方式即可；

2，霍尔排序

根据快排思想，我们需要实现的就是 partion 函数了----将区间按照基准值划分为左右两半部分；

常见的方式有很多，我们先来了解最初的版本 【霍尔排序】

思想图解：

对就是这样的，右边的小人先出发向左移动，找到比 key 小的数，然后左边的小人向右移动找到比  key 大的数，然后交换两个小人的值，直至他们相遇然后再交换 key 与任意一个小人的值；

这样一趟下来，他们相遇后，左边的数都比 key 小，右边的数都比 key 大；

思路实现：

//霍尔排序int PartSort1(int* arr, int left, int right){int keyi = left;while (left < right){//右边先走while (left=arr[keyi]){right--;}//左边后走while (left < right && arr[left] <= arr[keyi]){left++;}//交换Swap(&arr[left], &arr[right]);}Swap(&arr[left], &arr[keyi]);return left;}

然后我们运行一下：

//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){if (begin >= end){return NULL;}    //霍尔法int keyi = PartSort1(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}int main(){int arr[] = { 9,1,2,5,7,4,8,6,3,5 };//快速排序QuickSort(arr, 0,sizeof(arr) / sizeof(arr[0])-1);PrintSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));return 0;}

可以看到是有序的，选择排序就 OK 了；

3，挖坑法

然后我们再来认识另一种方式 【挖坑法】，其实跟【霍尔排序】思路差不多，不过更容易理解一点；

思想图解:

对还是一样的思路，让第一个元素为坑位，然后右边的小人先出发向左走找比 key 小的数，然后填充坑位并且右边小人的位置变为新坑位，然后左边的小人向右走找比 key 大的数，然后填充坑位并且左边小人的位置变为新坑位，直至两个小人相遇于坑位然后再给坑位赋值 key ；

这样一趟下来，坑位左边的数都比 key 小，右边的数都比 key 大；

思路实现：

//挖坑法int PartSort2(int* arr, int left, int right){int key = arr[left];    //坑位int hole = left;while (left < right){        //右边找小while (left < right && arr[right] >= key){right--;}arr[hole] = arr[right];hole = right;        //左边找大while (left < right && arr[left] <= key){left++;}arr[hole] = arr[left];hole = left;}arr[hole] = key;return hole;}

然后我们运行一下：

//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){if (begin >= end){return NULL;}    //挖坑法int keyi = PartSort2(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}

可以看到是有序的，选择排序就 OK 了；

4，前后指针法

然后呢，在介绍最后一种排序方式了 【前后指针】法；

这个呢就比较新颖了，跟之前的都不一样；

请看图解：

这个呢就是，定义两个指针，从首元素开始走，快指针（cur）刚开始领先慢指针（prev）一个身位，然后 cur 先走找比 key 小的数，然后与 prev 的下一个数交换，直至 cur 越界，然后再让 prev 与 key 交换；

这样一趟下来，prev 左边的数都比 key 小，右边的数都比 key 大；

 思路实现：

//前后指针法int PartSort3(int* arr, int left, int right){int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;}

然后我们运行一下：

//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){if (begin >= end){return NULL;}int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}

可以看到是有序的，选择排序就 OK 了；

5，快速排序优化

1，三数取中法选key

这第一个呢，就是对 key 的取值进行优化，当 key 的值太过于小或者大时，遍历数组的时间会增加，所以我们尽量让 key 的取值随机；

我们可以取首元素，尾元素，中间元素的值进行比较选 key ；

思路实现：

//三数取中int middle(int* arr, int left, int right){//int mid = (left +right)/ 2;if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}}

这样我们选择的 key 就不会受 首元素的束缚了；

我们还可不可以在这个基础上再优化一下呢？

答案是肯定的！

我们可以用随机数来取代中间数；

//三数取中int middle(int* arr, int left, int right){//随机数取中int mid = left + (rand() % (right - left));if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}}

这样子才是真正意义上的随机值，这样 key 就不受束缚了，再任何场景下都可以排序自如；

我们选完 key 的下标后，要让数组首元素的值与之交换，这样后面不动就 OK 了；

以【前后指针法】为例：

//前后指针法int PartSort3(int* arr, int left, int right){//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;}

主函数需要写 srand 函数来引用随机值；

//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}

现在我们运行测试一下：

其实速度是更快的，大家可以在【力扣】上测试一下；

2，小区间优化

还有一种优化方式是当递归到小的子区间时，可以考虑使用插入排序；

当数组的区间不大时，使用【插入排序】是会更快的，同时也可以减少压栈的次数，也就是降低【空间复杂度】；

//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}if (end - begin <10){InsertSort1(arr,begin,end);}else{int keyi = PartSort3(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}}

然后我们还需要改变一下插入排序，之前都是传数组元素个数的，现在我们要传区间需要改造一下；

//插入排序(改造版)void InsertSort1(int* arr, int left, int right){int i = 0;for (i = left; i < right; i++){int end = i;int tmp = arr[end + 1];while (end >= 0){if (arr[end] >= tmp){//交换Swap(&arr[end], &arr[end + 1]);end--;}else{break;}}arr[end + 1] = tmp;}}

这样就可以了，现在我们运行测试一下：

可以看到是有序的，选择排序就 OK 了；

二，快速排序（非递归）

之前咱们拿捏了递归版的快速排序，现在咱们来秒杀非递归版的快速排序；

我们之前了解到，快速排序与二叉树的前序遍历相似，所以我们非递归也要用这种手法来表示；

所以我们需要借助【栈】来帮助我们来实现；

因为【栈】的特性（后进先出）很符合二叉树的前序遍历的思想，这样我们可以先排序最左边的序列，在排序右边的，前面的都放在【栈】里等后面排序；

所以我们需要一个【栈】：

Stack.h

#pragma once#include#include#include#includetypedef int STDataType;typedef struct StackTop{STDataType* a;int top;int capacity;}ST;//初始化void STInit(ST* ps);//销毁void STDestroy(ST* ps);//插入void STPush(ST* ps, STDataType x);//删除void STPop(ST* ps);//返回栈顶STDataType STInsert(ST* ps);//数量int STSize(ST* ps);//判断是否为空int STEmpty(ST* ps);

Stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include"Stack.h"//初始化void STInit(ST* ps){assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;}//销毁void STDestroy(ST* ps){assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;}//插入void STPush(ST* ps, STDataType x){assert(ps);if (ps->top == ps->capacity){ps->capacity = ps->top == 0 ? 4 : ps->capacity*2;ps->a = (STDataType*)realloc(ps->a,sizeof(STDataType)*ps->capacity);}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;}//删除void STPop(ST* ps){assert(ps);assert(ps->top > 0);ps->top--;}//返回栈顶STDataType STInsert(ST* ps){assert(ps);assert(ps->top > 0);return ps->a[ps->top-1];}//数量int STSize(ST* ps){assert(ps);return ps->top;}//判断是否为空int STEmpty(ST* ps){assert(ps);if (ps->top == 0){return 1;}else{return 0;}}

然后我们就可以实现代码了；

我们的思路是：

将两边的下标存进【栈】，然后再取栈顶元素进行排序（霍尔或者其他），每取一个栈顶元素之后要把栈顶元素删除，然后再存放 keyi 两边的区间，再重复上面的过程，直至【栈】为空排序结束；

//快速排序(非递归)void QuickNon(int* arr, int begin, int end){srand(time(0));ST ps;//初始化STInit(&ps);if (begin >= end){return;}//插入STPush(&ps, end);STPush(&ps, begin);//栈不为空就进去while (!STEmpty(&ps)){int left = STInsert(&ps);//栈顶元素STPop(&ps);//删除int right = STInsert(&ps);STPop(&ps);int keyi = PartSort1(arr, left, right);//排序[left,keyi-1] & [keyi+1,right]if (keyi + 1 < right){//插入STPush(&ps, right);STPush(&ps, keyi + 1);}if (left < keyi - 1){//插入STPush(&ps, keyi - 1);STPush(&ps, left);}}//销毁STDestroy(&ps);}

我们运行测试一下：

可以看到也是完全 OK 的；

这就是快速排序的非递归实现！

三，快速排序源代码

以上的快速排序的全部代码如下（不包括【栈】）：

//三数取中int middle(int* arr, int left, int right){//int mid = (left +right)/ 2;//随机数取中int mid = left + (rand() % (right - left));if (arr[left] < arr[mid]){if (arr[mid] < arr[right]){return mid;}if (arr[left] < arr[right]){return right;}else{return left;}}//arr[mid]<=arr[left]else{if (arr[mid] > arr[right]){return mid;}if (arr[left] > arr[right]){return right;}else{return left;}}}//霍尔排序int PartSort1(int* arr, int left, int right){//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;while (left < right){//右边先走while (left=arr[keyi]){right--;}//左边后走while (left < right && arr[left] <= arr[keyi]){left++;}//交换Swap(&arr[left], &arr[right]);}Swap(&arr[left], &arr[keyi]);return left;}//挖坑法int PartSort2(int* arr, int left, int right){//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int key = arr[left];int hole = left;while (left < right){while (left < right && arr[right] >= key){right--;}arr[hole] = arr[right];hole = right;while (left < right && arr[left] <= key){left++;}arr[hole] = arr[left];hole = left;}arr[hole] = key;return hole;}//前后指针法int PartSort3(int* arr, int left, int right){//三数取中int ret = middle(arr, left, right);Swap(&arr[left], &arr[ret]);int keyi = left;int slow = left, fast = left+1;while (fast<=right){if (arr[fast] < arr[keyi] && ++slow!=fast){//交换Swap(&arr[fast], &arr[slow]);}fast++;}Swap(&arr[slow], &arr[keyi]);return slow;}//插入排序(改造版)void InsertSort1(int* arr, int left, int right){int i = 0;for (i = left; i < right; i++){int end = i;int tmp = arr[end + 1];while (end >= 0){if (arr[end] >= tmp){//交换Swap(&arr[end], &arr[end + 1]);end--;}else{break;}}arr[end + 1] = tmp;}}//快速排序void QuickSort(int* arr, int begin, int end){srand(time(0));if (begin >= end){return NULL;}if (end - begin <10){InsertSort1(arr,begin,end);}else{int keyi = PartSort1(arr, begin, end);//排序[begin,keyi) & [keyi+1,end]QuickSort(arr, begin, keyi);QuickSort(arr, keyi + 1, end);}}//快速排序(非递归)void QuickNon(int* arr, int begin, int end){srand(time(0));ST ps;//初始化STInit(&ps);if (begin >= end){return;}//插入STPush(&ps, end);STPush(&ps, begin);//栈不为空就进去while (!STEmpty(&ps)){int left = STInsert(&ps);//栈顶元素STPop(&ps);//删除int right = STInsert(&ps);STPop(&ps);int keyi = PartSort1(arr, left, right);//排序[left,keyi-1] & [keyi+1,right]if (keyi + 1 < right){//插入STPush(&ps, right);STPush(&ps, keyi + 1);}if (left < keyi - 1){//插入STPush(&ps, keyi - 1);STPush(&ps, left);}}//销毁STDestroy(&ps);}

 特性总结：

1，快速排序整体的综合性能和使用场景都是比较好的，所以才敢叫快速排序

2.，时间复杂度：O(N*logN)

3.，空间复杂度：O(logN) 

4， 稳定性：不稳定

第三阶段就到这里了，带大家啃块硬骨头磨磨牙！

后面博主会陆续更新；

如有不足之处欢迎来补充交流！

完结。。

再次祝大家国庆节快乐！

来源地址：https://blog.csdn.net/m0_71676870/article/details/133562282