荷兰国旗问题以及快速排序
文章目录
- 一、荷兰国旗问题
- 1、啥是荷兰国旗问题
- 2、荷兰国旗问题的抽象
- 3、解决的思路
- 4、详细的参考代码
- 二、快速排序
- 1、啥是快排(排序流程)
- 2、抽象后的快排流程
- 3、详细的参考代码
大家好,我是周一。
最近几篇算法,我们都是聊的归并排序,归并排序也说的差不多了,今天讲讲快速排序。
一、荷兰国旗问题
1、啥是荷兰国旗问题
荷兰国旗是由红白蓝3种颜色的条纹拼接而成,如下图所示:
假设这样的条纹有多条,且各种颜色的数量不一,并且随机组成了一个新的图形,新的图形可能如下图所示,但不仅仅只有这一种情况:
需求是:把这些条纹按照颜色排好,红色的在上半部分,白色的在中间部分,蓝色的在下半部分,我们把这类问题称作荷兰国旗问题。
2、荷兰国旗问题的抽象
我们把荷兰国旗问题抽象成数组的形式是下面这样的:
给定一个整数数组和一个值M(存在于原数组中),要求把数组中小于M的元素放到数组的左边,等于M的元素放到数组的中间,大于M的元素放到数组的右边,最终返回一个整数数组,只有两个值,0位置是等于M的数组部分的左下标值、1位置是等于M的数组部分的右下标值。
进一步抽象为更加通用的形式是下面这样的:
给定数组arr,将[l, r]范围内的数(当然默认是 [ 0 - arr.length - 1 ]),小于arr[r](这里直接取数组最右边的值进行比较)放到数组左边,等于arr[r]放到数组中间,大于arr[r]放到数组右边。最后返回等于arr[r]的左, 右下标值。
3、解决的思路
定义一个小于区,一个大于区;遍历数组,挨个和arr[r]比较,
(1)小于arr[r],与小于区的后一个位置交换,当前位置后移;
(2)等于arr[r],当前位置直接后移;
(3)大于arr[r],与大于区的前一个位置交换,当前位置不动(交换到此位置的数还没比较过,所以不动)。
遍历完后,arr[r]和大于区的最左侧位置交换。
最后返回,此时小于区的后一个位置,大于区的位置,即是最后的等于arr[r]的左, 右下标值。
4、详细的参考代码
/*** 荷兰国旗问题* <p>* 把数组arr中,[l, r]范围内的数,小于arr[r]放到数组最左边,等于arr[r]放到数组中间,大于arr[r]放到数组最右边** @return 返回等于arr[r]的左, 右下标值*/public static int[] netherlandsFlag(int[] arr, int l, int r) {if (l > r) {return new int[]{-1, -1};}if (l == r) {return new int[]{l, r};}// 小于arr[r]的右边界,从L的左边一位开始int less = l - 1;// 大于arr[r]的左边界,从r开始,即当前右边界里已经有arr[r]int more = r;// 当前正在比较的下标int index = l;// 不能与 大于arr[r]的左边界 撞上while (index < more) {if (arr[index] < arr[r]) {// 小于时,将当前位置的数和小于arr[r]的右边界的下一个位置交换// 当前位置后移一位swap(arr, index++, ++less);} else if (arr[index] == arr[r]) {// 等于时,当前位置后移一位即可index++;} else {// 大于时,当前位置的数和大于arr[r]的左边界的前一个位置交换// 当前位置不动swap(arr, index, --more);}}// 将arr[r]位置的数和大于arr[r]的左边界的数交换// 此时整个数组就按照 小于、等于、大于arr[r] 分成了左中右三块swap(arr, more, r);// 最后整个数组中,等于arr[r]的左右边界分别是less + 1, morereturn new int[]{less + 1, more};}
二、快速排序
1、啥是快排(排序流程)
首先设定一个分界值,通过该分界值将数组分成左中右三部分。
(1)将小于分界值的数据集中到数组的左边,等于分界值的数据集中到数组的中间,大于分界值的数据集中到数组右边。
(2)然后,左边和右边的数据可以独立排序。对于左侧的数据,又可以取一个分界值,将该部分数据分成左中右三部分,同样在左边放较小值,中间放等于值,右边放较大值。右边数据也做同样的处理。
(3)重复上述过程,可以看出,这是一个递归过程。通过递归将左侧部分排好序后,再递归排好右侧部分的顺序。当左、右两个部分各数据排序完成后,整个数组的排序也就完成了。
当看完了快排的流程,是不是发现快排的核心方法就是荷兰国旗问题,所以知道为啥本文一开始就介绍荷兰国旗问题了吧。
2、抽象后的快排流程
(1)随机将数组中的某个数放到比较位置上(即最右侧位置)
(2)调用荷兰国旗方法,(此时等于区的数即在最后排好序的位置上),拿到等于区的左右下标
(3)小于区和大于区再各自递归调用(1)(2)步即可将小于区和大于区排好序。
3、详细的参考代码
/*** 随机快排*/public static void quickSortRandom(int[] arr) {if (arr == null || arr.length < 2) {return;}processRandom(arr, 0, arr.length - 1);}private static void processRandom(int[] arr, int l, int r) {if (l >= r) {return;}// 随机将数组中的某个数放到比较位置上(即数组最右边位置)// 这一步是保证快排时间复杂度是O(N*logN)的关键,不然,快排的时间复杂度是O(N^2)swap(arr, l + (int) ((r - l + 1) * Math.random()), r);// 将数组划分为 小于、等于、大于arr[r] 的左中右三块int[] equalArea = netherlandsFlag(arr, l, r);// 此时等于区域的值已经处于最后排序结果的位置了// 递归将左半部分的排好序processRandom(arr, l, equalArea[0] - 1);// 递归将右半部分的排好序processRandom(arr, equalArea[1] + 1, r);}public static void swap(int[] arr, int i, int j) {int tmp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = tmp;}
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