排序算法 | 青训营笔记

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Insertion Sort插入排序

将元素不断插入已经排序好的array中

起始只有一个元素5,其本身是一个有序序列

后续元素插入有序序列中,即不断交换,直到找到第一个比其小的元素

有序Best:O(n)

Avg:O(n^2)

Woret:O(n^2)

缺点:平均和最坏情况的时间复杂度高达O(n^2)

优点:最好情况时间复杂度O(n)

Quick Sort快速排序

分治思想,不断分割序列直到序列整体有序

使用pivot分割序列,分成元素比pivot大和元素比pivot小的两个序列

缺点:最坏情况的时间复杂度高达O(n^2)

优点:平均情况的时间复杂度为O(n*logn)

Best:每一次选择的轴点恰好是中位数,这样每次分割都能分割成,O(n^2)

Avg:O(n*logn)

Worst:每次只将一个元素放到最终位置,例如选择的轴点都是已知序列的最小元素

Heap Sort堆排序

利用堆的性质形成的排序算法

构造一个大顶堆

将根节点(最大元素)交换到最后一个位置,调整整个堆,如此反复

Best:O(n*logn)

Avg:O(n*logn)

Worst:O(n*logn)

缺点:最好情况的时间复杂度高达O(n*logn)

优点:最坏情况的时间复杂度为O(n*logn)

插入排序平均和最坏情况时间复杂度都是O(n^2),性能不好

快速排序整体性能处于中间层次

堆排序性能稳定

根据序列元素排序情况划分

完全随机的情况

有序、逆序的情况

元素重复度较高的情况

在此基础上,还需要根据序列长度的划分

插入排序在短序列中速度最快

快速排序在其他情况中速度最快

堆排序速度于最快算法差距不大

插入排序在序列已经有序的情况下最快

所有短序列和元素有序情况下,插入排序性能最好

在大部分的情况下,快速排序有较好的综合性能

几乎在任何情况下,堆排序的表现都比较稳定

pdqsort(pattern-defeating-quicksort)

是一种不稳定的混合排序算法,它的不同版本被应用在C++ BOOST、Rust以及Go 1.19中。它对常见的序列类型做了特殊的优化,使得在不同条件下都拥有不错的性能

结合三种排序方法的优点

对于短序列(小于一定长度)我们使用插入排序

其他情况,使用快速排序来保证整体性能

当快速排序表现不佳时,使用堆排序来保证最坏情况下时间复杂度仍然为O(n*logn)

短序列的具体长度

12~32,在不同语言和场景会有不同,在泛型版本根据测试选定24

如何得知快速排序表现不佳,以及何时切换到堆排序

当最终pivot的位置离序列两端很接近时(距离小于length/8)判定其表现不佳,当这种情况的次数达到limit (即 bits.Len(length))时,切换到堆排序

对于短序列(<=24)我们使用插入排序

其他情况,使用快速排序(选择首个元素作为pivot)来保证整体性能当快速排序表现不佳时(limit==0),使用堆排序来保证最坏情况下时间复杂度仍然为O(n*logn)

如何让pdqsort速度更快

尽量使得 QuickSort 的pivot为序列的中位数->改进choose pivot

Partition速度更快->改进partition ,但是此优化在Go表现不好,略

思考关于pivot的选择

使用首个元素作为pivot(最简单的方案)

实现简单,但是往往效果不好,例如在sorted情况下性能很差

遍历数组,寻找真正的中位数

遍历比对代价很高,性能不好

根据序列长度的不同,来决定选择策略

优化-pivot的选择

短序列(<=8),选择固定元素

中序列(<=50),采样三个元素,

长序列(>50),采样九个元素,

Version1升级到version2优化总结

·升级 pivot选择策略(近似中位数)

·发现序列可能逆序.则翻转序列->应对reverse场号

·发现序列可能有序,使用有限插入排序->应对sorted场景

优化-重复元素较多的情况(partitionEqual)

当检测到此时的pivot和上次相同时(发生在leftSubArray),使用partitionEqual将重复元素排列在一起,减少重复元素对于pivot选择的干扰

优化-当pivot选择策略表现不佳时,随机交换元素

避免一些极端情况使得QuickSort总是表现不佳,以及一些黑客攻击情况

高性能的排序算法是如何设计的

根据不同情况选择不同策略,取长补短