GO语言实现 一 快速排序(二)

接下来,我们会讨论快速排序的更多细节

标志位的选取

在上篇博文中,我们讲到了标志位的选取一般是取数组第一个元素,但是由于快排的本质是通过O(n)的时间排序好一个数(标志位)以及划分两个相对大小的数组(小于标志位的数组和大于标志位的数组),如果标志位是整个数组的最大值或者最小值,会导致本轮排序在划分数组时不能获得优质的结果

什么样的标志位才是效率最高的呢?

  1. 最好的标志位是数组的中位数,本轮排序会将数组划分为相同大小的两个子数组,由此每轮划分的元素最多,排序效果最好
  2. 中位数的选取最快也需要 O(n) 的时间,每轮排序取额外选取中位数得不偿失,学过统计学,我们知道,可以用样本的中位数去估计真实的中位数

基于以上两点,我们可以试试三分取中法

三分取中法

三分取中法的大致思路如下:

首先,我们找出数组中位置在第一个的值,最后一个的值和最中间的值

然后,我们选取上述三个数中的中位数作为我们本轮排序的标志位

这样选择的标志位虽然不一定是整个数组的中位数,但是比起选择第一个元素,要科学不少,而且在数组基本有序时,也能有效的避免最差的时间复杂度。

如果对于标志位的选取更加严格,我们可以从 2*(n-1)位中选取中位数,n的数值越大,中位数越有效,但是选取中位数所消耗的时间也越多

重复键值

我们在使用快速排序时,有时候会遇到许多元素相等的项,譬如

  1. 按照年龄排序
  2. 邮件列表中的重复邮件
  3. 根据地名排序

而这类情况往往有几个特征

  1. 数组元素很多
  2. 相对于数组元素的个数,元素的种类很少(很大一部分元素相等)

特别,当数组中的元素全相同时,如果我们在元素项与标志位相等时继续排序,时间复杂度会骤升至 O(n^2),如果我们在元素项与标志位相等时停止,也会产生 O(nlgn) 的时间复杂度。

接下来我们介绍快排的一种优化,在数组元素基本相同时,可以取得近似 O(n)的排序效果

三路快排

在快速排序中,我们会找到标志位,然后将其排序到对应位置,保证标志位前面的数小于标志位,标志位后面的数大于标志位。如果我们将标志位扩展为数组的几个相等元素,就像这样

数组被分为三部分

  1. lt 和 gt 之间的数都等于 v
  2. lt 左边的数都小于 v
  3. gt 右边的数都大于 v

对比普通快排算法,我们新增了 lt与 gt两个标志用来存储数值等于 v的起始与结束位置。

算法代码如下

func sort3way(arr []int, low int, high int) {
    if high <= low {
        return
    }
    lt, gt, v := low, high, arr[low]
    i := low
    for i <= gt {
        cmp := arr[i] - v
        if cmp < 0 {
            exch(arr, lt, i)
            lt++
            i++
        } else if cmp > 0 {
            exch(arr, i, gt)
            gt--
        } else {
            i++
        }
    }
    sort3way(arr, low, lt-1)
    sort3way(arr, gt+1, high)
}

在数组中大部分元素相等时,我们的三路快排算法会演化成数组的遍历,从而时间复杂度接近 O(n)


参考文献:
Dynamic Connectivity - 普林斯顿大学 | Coursera

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