快速排序是图灵奖得主 C. R. A. Hoare 于 1960 年提出的一种划分交换排序。它采用了一种分治的策略,通常称其为分治法(Divide-and-ConquerMethod)。
分治法的基本思想是:将原问题分解为若干个规模更小但结构与原问题相似的子问题。递归地解这些子问题,然后将这些子问题的解组合为原问题的解。
利用分治法可将快速排序的分为三步:
1, 在数据集之中,选择一个元素作为”基准”(pivot)。
2, 所有小于”基准”的元素,都移到”基准”的左边;所有大于”基准”的元素,都移到”基准”的右边。这个操作称为分区 (partition) 操作,分区操作结束后,基准元素所处的位置就是最终排序后它的位置。
3, 对”基准”左边和右边的两个子集,不断重复第一步和第二步,直到所有子集只剩下一个元素为止。
首先,把基准元素移到結尾(如果直接选择最后一个元素为基准元素,那就不用移动),然后从左到右(除了最后的基准元素),循环移动小于等于基准元素的元素到数组的开头,每次移动 storeIndex 自增 1,表示下一个小于基准元素将要移动到的位置。循环结束后 storeIndex 所代表的的位置就是基准元素的所有摆放的位置。所以最后将基准元素所在位置(这里是 right)与 storeIndex 所代表的的位置的元素交换位置。要注意的是,一个元素在到达它的最后位置前,可能会被交换很多次。
实例分析
举例来说,现有数组 arr = [3,7,8,5,2,1,9,5,4],分区可以分解成以下步骤:
- 首先选定一个基准元素,这里我们元素 5 为基准元素(基准元素可以任意选择):
pivot
↓
3 7 8 5 2 1 9 5 4
- 将基准元素与数组中最后一个元素交换位置,如果选择最后一个元素为基准元素可以省略该步:
pivot
↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
从左到右(除了最后的基准元素),循环移动小于基准元素 5 的所有元素到数组开头,留下大于等于基准元素的元素接在后面。在这个过程它也为基准元素找寻最后摆放的位置。循环流程如下:
- 循环 i == 0 时,storeIndex == 0,找到一个小于基准元素的元素 3,那么将其与 storeIndex 所在位置的元素交换位置,这里是 3 自身,交换后将 storeIndex 自增 1,storeIndex == 1:
pivot
↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
↑
storeIndex
- 循环 i == 3 时,storeIndex == 1,找到一个小于基准元素的元素 4:
┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 7 8 4 2 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
- 交换位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 2:
pivot
↓
3 4 8 7 2 1 9 5 5
↑
storeIndex
- 循环 i == 4 时,storeIndex == 2,找到一个小于基准元素的元素 2:
┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 8 7 2 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
- 交换位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 3:
pivot
↓
3 4 2 7 8 1 9 5 5
↑
storeIndex
- 循环 i == 5 时,storeIndex == 3,找到一个小于基准元素的元素 1:
┌───────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 2 7 8 1 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
- 交换后位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 4:
pivot
↓
3 4 2 1 8 7 9 5 5
↑
storeIndex
- 循环 i == 7 时,storeIndex == 4,找到一个小于等于基准元素的元素 5:
┌───────────┐ pivot
↓ ↓ ↓
3 4 2 1 8 7 9 5 5
↑ ↑
storeIndex i
- 交换后位置后,storeIndex 自增 1,storeIndex == 5:
pivot
↓
3 4 2 1 5 7 9 8 5
↑
storeIndex
- 循环结束后交换基准元素和 storeIndex 位置的元素的位置:
pivot
↓
3 4 2 1 5 5 9 8 7
↑
storeIndex
那么 storeIndex 的值就是基准元素的最终位置,这样整个分区过程就完成了。
JavaScript 语言实现
有很多实现方式如下,拆分到左右两个数组里,递归拆分排序。
function quickSort(arr){
arr = arr.slice(0);
// 递归出口
if (arr.length <= 1) {
return arr;
}
// 二分法,找基点
var pivotIndex = Math.floor(arr.length / 2);
var pivot = arr.splice(pivotIndex, 1)[0];
var left = [];
var right = [];
// 快排
for (var i = 0; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] < pivot) {
left.push(arr[i]);
}else{
right.push(arr[i]);
}
}
// 递归
return quickSort(left).concat([pivot], quickSort(right));
}
这种方法并不推荐,不好,创建太多数组,它需要Ω(n)的额外存储空间。额外需要的存储器空间配置,在实际上的实现,也会极度影响速度和高速缓存的性能。
按照维基百科中的原地(in-place)分区版本,实现快速排序方法如下:
function quickSort(array) {
// 交换元素位置
function swap(array, i, k) {
var temp = array[i];
array[i] = array[k];
array[k] = temp;
}
// 数组分区,左小右大
function partition(array, left, right) {
var storeIndex = left;
var pivot = array[right]; // 直接选最右边的元素为基准元素
for (var i = left; i < right; i++) {
if (array[i] < pivot) {
swap(array, storeIndex, i);
storeIndex++; // 交换位置后,storeIndex 自增 1,代表下一个可能要交换的位置
}
}
swap(array, right, storeIndex); // 将基准元素放置到最后的正确位置上
return storeIndex;
}
// 递归调用排序
function sort(array, left, right) {
if (left > right) {
return;
}
var storeIndex = partition(array, left, right);
sort(array, left, storeIndex - 1);
sort(array, storeIndex + 1, right);
}
sort(array, 0, array.length - 1);
return array;
}