快速排序

import java.util.Arrays;

/**
 * 快速排序
 * <p>
 * 通过一趟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，以此达到整个数据变成有序序列
 */
public class QuickSort {

    public static void main(String[] args) {
        // 测试次数
        int times = 50000;

        int maxNum = 100;
        int maxSize = 100;
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            // 生成随机数组
            int[] arr1 = generateArray(maxNum, maxSize);
            // 复制
            int[] arr2 = copyArray(arr1);
            // 排序
            quickSort1(arr1);
//            quickSort2(arr1);
//            quickSort3(arr1);
            // Api排序
            Arrays.sort(arr2);
            // 比较排序结果
            if (!arrayEquals(arr1, arr2)) {
                System.out.println("Sort failed!!!");
                System.out.println(Arrays.toString(arr1));
                System.out.println(Arrays.toString(arr2));
                return;
            }
        }
        System.out.println("Sort success");
    }

    /**
     * 快排第一种实现方式
     * 每次分两组： <= 和 >
     *
     * @param arr 数组
     */
    public static void quickSort1(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process1(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void process1(int[] arr, int left, int right) {
        if (left >= right) {
            return;
        }
        int mid = patition(arr, left, right);
        process1(arr, left, mid - 1);
        process1(arr, mid + 1, right);
    }

    public static int patition(int[] arr, int left, int right) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return 0;
        }
        int index = left - 1;
        for (int i = left; i <= right; i++) {
            if (arr[i] <= arr[right]) {
                swap(arr, i, ++index);
            }
        }
        return index;
    }

    /**
     * 快排第二种实现方式
     * 每次分三组： < 和 = 和 >
     *
     * @param arr 数组
     */
    public static void quickSort2(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process2(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void process2(int[] arr, int left, int right) {
        if (left >= right) {
            return;
        }
        int[] index = netherlandFlag(arr, left, right);
        process2(arr, left, index[0] - 1);
        process2(arr, index[1] + 1, right);
    }

    /**
     * 荷兰国旗划分 以arr[right] 为划分值
     *
     * @param arr   数组
     * @param left  左边界
     * @param right 右边界
     * @return 等于区域的下标范围
     */
    public static int[] netherlandFlag(int[] arr, int left, int right) {
        if (left > right) {
            return new int[]{-1, -1};
        }
        if (left == right) {
            return new int[]{left, right};
        }
        int less = left - 1;
        int more = right;
        int index = left;
        while (index < more) {
            if (arr[index] < arr[right]) {
                swap(arr, index++, ++less);
            } else if (arr[index] > arr[right]) {
                swap(arr, index, --more);
            } else {
                index++;
            }
        }
        swap(arr, more, right);
        return new int[]{less + 1, more};
    }

    /**
     * 快排第三种实现方式
     * 在第二种实现方式的基础上，每次随机挑选一个划分值
     *
     * @param arr 数组
     */
    public static void quickSort3(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process3(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void process3(int[] arr, int left, int right) {
        if (left >= right) {
            return;
        }
        int[] index = netherlandFlag2(arr, left, right);
        process3(arr, left, index[0] - 1);
        process3(arr, index[1] + 1, right);
    }

    /**
     * 荷兰国旗划分 以arr[right] 为划分值
     *
     * @param arr   数组
     * @param left  左边界
     * @param right 右边界
     * @return 等于区域的下标范围
     */
    public static int[] netherlandFlag2(int[] arr, int left, int right) {
        if (left > right) {
            return new int[]{-1, -1};
        }
        if (left == right) {
            return new int[]{left, right};
        }
        //随机挑选一个划分值
        int radom = left + ((int) (Math.random() * (right - left)));
        swap(arr, radom, right);

        int less = left - 1;
        int more = right;
        int index = left;
        while (index < more) {
            if (arr[index] < arr[right]) {
                swap(arr, index++, ++less);
            } else if (arr[index] > arr[right]) {
                swap(arr, index, --more);
            } else {
                index++;
            }
        }
        swap(arr, more, right);
        return new int[]{less + 1, more};
    }

    /**
     * 交换数组两个元素的位置
     *
     * @param arr 数组
     * @param i   位置
     * @param j   位置
     */
    private static void swap(int[] arr, int i, int j) {
        // 同一个位置交换无意义，并且用异或交换会有问题
        if (i == j) {
            return;
        }
        // 交换
        arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
        arr[j] = arr[i] ^ arr[j];
        arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
    }

    /**
     * 生成随机数组
     *
     * @param maxNum  最大数
     * @param maxSize 数组最大大小
     * @return 随机数组
     */
    private static int[] generateArray(int maxNum, int maxSize) {
        int[] arr = new int[(int) (maxSize * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) (maxNum * Math.random()) - (int) (maxNum * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    /**
     * 判断两数组是否完全相同
     *
     * @param arr1 数组1
     * @param arr2 数组2
     * @return 是否相同
     */
    private static boolean arrayEquals(int[] arr1, int[] arr2) {
        if (arr1 == arr2) {
            return true;
        }
        if (arr1 == null || arr2 == null || arr1.length != arr2.length) {
            return false;
        }
        for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
            if (arr1[i] != arr2[i]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    /**
     * 复制数组
     *
     * @param arr 要复制的数组
     * @return 复制的数组
     */
    private static int[] copyArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return null;
        }
        int[] copy = new int[arr.length];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            copy[i] = arr[i];
        }
        return copy;
    }

}

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