咸鱼君的算法学习笔记——快速排序

引入

分治

"分而治之"。将原问题划分成了几个可合并的规模更小的问题，分别解决。然后合并。

分治法的具体操作是把原问题分解成若干个较小规模的子问题，对这个子问题分别求解。如果子问题不够小，那么把每个子问题再划分为规模更小的子问题。这样一直分解下去，直到问题足够小，能十分简单地求出子问题的答案为止。

步骤

1. 分解
2. 解决
3. 合并

举例

二分查找

int search(int arr[],int mins,int maxs,int key){
    int left = mins;
	int right = maxs;

	while(left<=right){
   	 	int mid=(left+right)/2;
    	if(arr[mid] == key){
        	return mid;
   		 }else if(arr[mid] > key){
    	    left=mid+1;
    	}else{
            right=mid-1;
        }
	}
    return -1;
}

复杂度为O(logn)

递归

函数直接或间接地调用自己。

1. 递归过程 => 解决问题的方法， 让规模缩小，接近答案
2. 终止条件 => 递归边界

举例

求阶乘。

n! = 1 * 2 * 3 * 4 * ... * n-1 * n

n!=(n-1)! * n

int fun(int n){
    if(n==1) return 1;
    return fun(n-1)*n;
}

快速排序

问题：如何根据分治的思想设计排序算法？

1. 分解。
2. 解决。
3. 合并。

快速排序（升序）思路：把序列分成左、右两部分。使得左边的所有数字都比右边的数小。再按相同的方法，对左右两部分分别进行快速排序。

选取一个数字作为基准数，检查序列中的所有元素，比基准数小的，放在左边，比基准数大的，放在右边。

整体框架

void qSort(int arr[],int left,int right){
    if(left >= right) return ;
    int privot=divide(left,right);
    qSort(arr,left,privot-1);
    qSort(arr,privot+1,right);
}

划分策略

Lomuto划分

选取第一个元素作为基准数。将序列分成三段，一段比基准数小，一段比基准数大，一段是待划分序列。

s指向小于基准数段的最后一个元素。

i从未处理段的第一个元素开始向后扫描数组。过程中当i发现比基准数小的，则将s的后一个元素和i进行交换。

void qSort(int arr[],int left,int right){
	if(left >= right) return ;
	//选取最左边的数作为基准数  
	int s=left;// s 指向< 基准数序列的最后一个元素 
	int t=arr[left];//t为基准数
	// 目的 ： 使得 比t小的都在t的左边，比t大的都在t的右边
	
	for(int i=left+1,i<=right;i++){//遍历所有的待排序数字 
		//发现比基准数小的数 ，就将其加入到 < t 的序列中
		if(arr[i]<t){
			s++;
			swap(arr[i],arr[s]);
		}
	}
	//    left（< t ）s  (>t) i (待排序) right
	swap(arr[left],arr[s]);
	
	qSort(arr,left,s-1);
	qSort(arr,s+1,right);
} 

Hoare划分

将分别从序列的两端进行扫描，并将扫描到的元素与中轴进行比较。

先从序列的右边往左边找，找比基准值小的值；再从左边开始往右边找，找到比基准值大的值。将两者交换，使得左边的一段小于基准值，右边的一段大于基准值。直到两者相遇，相遇位置即基准数应该在的位置。

void qSort(int arr[],int left,int right){
	if(left >= right) return ;
	//选取最左边的数作为基准数  
	int i=left,j=right;
	int t=arr[left];
	
	while(i<j){
		//从右向左扫描 ， 找到第一个比基准数小的值
		while(arr[j]>=t&&i<j) j--; 
		//从左向右扫描，找到第一个比基准数大的值
		while(arr[j]<=t&&i<j) i++;
		if(i<j){
			swap(arr[i],arr[j]);
		} 
	}
	
	swap(arr[left],arr[i]);
	
	qSort(arr,left,i-1);
	qSort(arr,i+1,right);
} 

小优化

若出现大量相同的数据。上面两种方法用时较长。

有n个相同的元素的序列来说，划分后的两个子序列的长度可能分别时n-1 和 0,从而在扫描了整个数组后只将问题的规模减1.

采用中间数。

void qSort(int arr[],int left,int right){
	if(left >= right) return ;
	//选取中间数作为基准值
	int i=left,j=right,mid=arr[(left+right)/2];
	while(i<=j){
		while(arr[i]<mid) i++;//从左向右扫描，找第一个大于基准值的
		while(arr[j]>mid) j--;//从右向左扫描，找第一个小于基准值的
		if(i<=j){
			swap(arr[i],arr[j]);
			i++,j--;
		} 
	}
	if(left < j) qSort(arr,left,j);
	if(i<right) qSort(arr,i,right);
} 

练习

快速排序模板

https://www.luogu.com.cn/problem/P1177

C++中的sort()

需要添加头文件 algorithm

对整数数组 升序排列

arr[1]~arr[n]

sort(arr+1 ,arr+n+1 );//默认规则为从小到大

对整数数组 降序排列

需要对规则进行自定义

sort(开始位置，结束位置+1,排序规则);

bool cmp(int a,int b){
    if(a<b){
        return true;
    }else{
        return false;
    }
}

//调用， 对数组a[1]~a[n]从大到小排序
sort(a+1,a+n+1,cmp);

练习

奖学金问题

https://www.luogu.com.cn/problem/P1093