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深入了解桶排序:原理、性能分析與 Java 實現

開發 前端
桶排序是一種簡單但有效的排序算法,特別適用于某些特定范圍內數據的排序,當數據分布均勻時,性能較好。然而,對于不均勻分布的數據,其性能可能下降,因此在實際應用中需要謹慎選擇。

桶排序(Bucket Sort)是一種排序算法,通常用于將一組數據分割成有限數量的桶(或容器),然后對每個桶中的數據進行排序,最后將這些桶按順序合并以得到排好序的數據集。

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桶排序原理

  1. 確定桶的數量:首先,確定要使用的桶的數量。通常,桶的數量可以根據數據范圍和分布情況來確定。
  2. 分發數據:將待排序的元素按照一定的規則(例如,數值大小)分發到不同的桶中。
  3. 每個桶內排序:對每個桶內的元素進行排序。這可以使用任何排序算法,例如插入排序或快速排序。
  4. 合并桶:將每個桶內的元素按照桶的順序合并,形成有序序列。

圖示如下:

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桶排序性能分析

  • 時間復雜度:桶排序的時間復雜度取決于數據的分布情況。在最理想的情況下,當數據均勻分布在各個桶中時,每個桶內的排序時間復雜度是 ,因此總體時間復雜度為 。但在最壞情況下,如果所有數據都分布在一個桶中,桶內排序的時間復雜度可以達到 。在平均情況下,桶排序通常表現為 。
  • 空間復雜度:桶排序需要額外的存儲空間來存儲桶,因此空間復雜度為 ,其中 n 表示排序元素的個數,k 表示桶的數量。
  • 穩定性:桶排序通常是穩定的,即相等元素的相對順序在排序后不會發生變化。

使用場景

桶排序適用于以下情況:

  • 數據分布相對均勻。
  • 數據范圍已知,可以將數據映射到有限數量的桶中。

Java 代碼實現

以下是使用 Java 實現桶排序的示例代碼,其中每個桶中的元素排序使用的是快速排序,快速排序的詳解請參考歷史博文 深入了解快速排序:原理、性能分析與 Java 實現:

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{17,35,37,32,63,46,24};
        System.out.println("原始數組:"+ Arrays.toString(arr));
        bucketSort(arr);
        System.out.println("排序后的數組:"+ Arrays.toString(arr));
    }



    //桶排序
    public static void bucketSort(int[] arr){

        int maxVal = Arrays.stream(arr).max().getAsInt();
        int minVal = Arrays.stream(arr).min().getAsInt();

        //計算桶的數量,+1 是保證至少有1個桶來裝數據
        int bucketCount  = (maxVal - minVal)/arr.length + 1;

        // 用于存儲每個桶中元素的出現次數
        int[] order = new int[bucketCount];
        // 用于存儲每個桶中的數據
        int[][] output = new int[bucketCount][arr.length];

        int len = arr.length;

        //每個桶中數據的范圍,+1 是至少每個桶中的數據范圍為1
        int rang =  (maxVal - minVal)/bucketCount +1;

        //將待排序的數組中的所有元素放入到桶中
        for(int i = 0; i < len; i++ ){
            //計算數組元素所在的桶
            int index = (arr[i] - minVal)  /  rang ;
            //將元素放入指定的桶
            output[index][order[index]] = arr[i];
            //添加桶元素的計數
            order[index]++;
        }

        System.out.println("桶計數數組為:"+ Arrays.toString(order));

        int k = 0;

        //遍歷桶,將桶中的元素放入源數組中,并對其進行快速排序
        for(int i = 0; i < bucketCount; i++){
            int j ;
            if(order[i] > 0){
                // 將桶中的元素放入源數組中
                for(j = 0; j < order[i]; j++){
                    arr[k++] = output[i][j];
                }
                //對桶中的元素進行快速排序
                quickSort(arr,k-j,k-1);
            }

        }
    }


    //快速排序的詳解請參考歷史博文 `深入了解快速排序:原理、性能分析與 Java 實現`
    public static void quickSort(int[] arr,int left,int right) {

        //遞歸結束條件left < right
        if(left < right){
            // 通過分區函數得到基準元素的索引
            int pivotIndex = partition(arr, left, right);
            //遞歸對基準元素左邊的子數組進行快速排序
            quickSort(arr,left,pivotIndex-1);
            //遞歸對基準元素右邊的子數組進行快速排序
            quickSort(arr,pivotIndex+1,right);
        }
    }

    public static int partition(int[] arr,int left,int right) {
        // 選擇最后一個元素作為基準元素
        int pivot = arr[right];
        int i = left;

        //循環數組,如果滿足條件,則將滿足條件的元素交換到arr[i],同時i++,循環完成之后i之前的元素則全部為小于基準元素的元素
        for (int j = left; j < right; j++) {
            if(arr[j] < pivot){
                if(j != i){
                    int temp  = arr[i];
                    arr[i] = arr[j];
                    arr[j] = temp;
                }
                i++;
            }
        }

        // 交換 arr[i] 和基準元素
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[right];
        arr[right] = temp;

        //返回基準元素的下標
        return i;
    }
}

輸出結果為:

原始數組:[17, 35, 37, 32, 63, 46, 24]
桶計數數組為:[1, 1, 3, 0, 1, 0, 1]
排序后的數組:[17, 24, 32, 35, 37, 46, 63]

這是一個基本的桶排序實現示例。您可以根據實際需求和數據類型進行擴展和優化。

總結

總的來說,桶排序是一種簡單但有效的排序算法,特別適用于某些特定范圍內數據的排序,當數據分布均勻時,性能較好。然而,對于不均勻分布的數據,其性能可能下降,因此在實際應用中需要謹慎選擇。

責任編輯:武曉燕 來源: 修己xj
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