Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（幾種排序）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（Python）

冒泡排序

冒泡排序（英語(yǔ)：Bubble Sort）是一種簡(jiǎn)單的排序算法。它重復(fù)地遍歷要排序的數(shù)列，一次比較兩個(gè)元素，如果他們的順序錯(cuò)誤就把他們交換過(guò)來(lái)。遍歷數(shù)列的工作是重復(fù)地進(jìn)行直到?jīng)]有再需要交換，也就是說(shuō)該數(shù)列已經(jīng)排序完成。這個(gè)算法的名字由來(lái)是因?yàn)樵叫〉脑貢?huì)經(jīng)由交換慢慢“浮”到數(shù)列的頂端。

冒泡排序算法的運(yùn)作如下：

1. 比較相鄰的元素。如果第一個(gè)比第二個(gè)大（升序），就交換他們兩個(gè)。
2. 對(duì)每一對(duì)相鄰元素作同樣的工作，從開(kāi)始第一對(duì)到結(jié)尾的最后一對(duì)。這步做完后，最后的元素會(huì)是最大的數(shù)。
3. 針對(duì)所有的元素重復(fù)以上的步驟，除了最后一個(gè)。
4. 持續(xù)每次對(duì)越來(lái)越少的元素重復(fù)上面的步驟，直到?jīng)]有任何一對(duì)數(shù)字需要比較。
   

冒泡排序的分析

交換過(guò)程圖示(第一次)：

那么我們需要進(jìn)行n-1次冒泡過(guò)程，每次對(duì)應(yīng)的比較次數(shù)如下圖所示：

def bubble_sort(alist):
 for j in range(len(alist)-1,0,-1):
 # j表示每次遍歷需要比較的次數(shù)，是逐漸減小的
 for i in range(j):
  if alist[i] > alist[i+1]:
  alist[i], alist[i+1] = alist[i+1], alist[i]
li = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
bubble_sort(li)
print(li)

時(shí)間復(fù)雜度

• 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(n) （表示遍歷一次發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何可以交換的元素，排序結(jié)束。）
• 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
• 穩(wěn)定性：穩(wěn)定
  

冒泡排序的演示

效果：

選擇排序

選擇排序（Selection sort）是一種簡(jiǎn)單直觀的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小（大）元素，存放到排序序列的起始位置，然后，再?gòu)氖Ｓ辔磁判蛟刂欣^續(xù)尋找最小（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此類(lèi)推，直到所有元素均排序完畢。

選擇排序的主要優(yōu)點(diǎn)與數(shù)據(jù)移動(dòng)有關(guān)。如果某個(gè)元素位于正確的最終位置上，則它不會(huì)被移動(dòng)。選擇排序每次交換一對(duì)元素，它們當(dāng)中至少有一個(gè)將被移到其最終位置上，因此對(duì)n個(gè)元素的表進(jìn)行排序總共進(jìn)行至多n-1次交換。在所有的完全依靠交換去移動(dòng)元素的排序方法中，選擇排序?qū)儆诜浅：玫囊环N。

選擇排序分析

排序過(guò)程：

紅色表示當(dāng)前最小值，黃色表示已排序序列，藍(lán)色表示當(dāng)前位置。

def selection_sort(alist):
 n = len(alist)
 # 需要進(jìn)行n-1次選擇操作
 for i in range(n-1):
 # 記錄最小位置
 min_index = i
 # 從i+1位置到末尾選擇出最小數(shù)據(jù)
 for j in range(i+1, n):
  if alist[j] < alist[min_index]:
  min_index = j
 # 如果選擇出的數(shù)據(jù)不在正確位置，進(jìn)行交換
 if min_index != i:
  alist[i], alist[min_index] = alist[min_index], alist[i]
alist = [54,226,93,17,77,31,44,55,20]
selection_sort(alist)
print(alist)

時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
3. 穩(wěn)定性：不穩(wěn)定（考慮升序每次選擇最大的情況）

選擇排序演示 

插入排序

插入排序（英語(yǔ)：Insertion Sort）是一種簡(jiǎn)單直觀的排序算法。它的工作原理是通過(guò)構(gòu)建有序序列，對(duì)于未排序數(shù)據(jù)，在已排序序列中從后向前掃描，找到相應(yīng)位置并插入。插入排序在實(shí)現(xiàn)上，在從后向前掃描過(guò)程中，需要反復(fù)把已排序元素逐步向后挪位，為最新元素提供插入空間。

插入排序分析

def insert_sort(alist):
 # 從第二個(gè)位置，即下標(biāo)為1的元素開(kāi)始向前插入
 for i in range(1, len(alist)):
 # 從第i個(gè)元素開(kāi)始向前比較，如果小于前一個(gè)元素，交換位置
 for j in range(i, 0, -1):
  if alist[j] < alist[j-1]:
  alist[j], alist[j-1] = alist[j-1], alist[j]
alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
insert_sort(alist)
print(alist)

時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(n) （升序排列，序列已經(jīng)處于升序狀態(tài)）
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
3. 穩(wěn)定性：穩(wěn)定
   

插入排序演示

快速排序

快速排序（英語(yǔ)：Quicksort），又稱(chēng)劃分交換排序（partition-exchange sort），通過(guò)一趟排序?qū)⒁判虻臄?shù)據(jù)分割成獨(dú)立的兩部分，其中一部分的所有數(shù)據(jù)都比另外一部分的所有數(shù)據(jù)都要小，然后再按此方法對(duì)這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行快速排序，整個(gè)排序過(guò)程可以遞歸進(jìn)行，以此達(dá)到整個(gè)數(shù)據(jù)變成有序序列。

步驟為：

從數(shù)列中挑出一個(gè)元素，稱(chēng)為"基準(zhǔn)"（pivot），
重新排序數(shù)列，所有元素比基準(zhǔn)值小的擺放在基準(zhǔn)前面，所有元素比基準(zhǔn)值大的擺在基準(zhǔn)的后面（相同的數(shù)可以到任一邊）。在這個(gè)分區(qū)結(jié)束之后，該基準(zhǔn)就處于數(shù)列的中間位置。這個(gè)稱(chēng)為分區(qū)（partition）操作。
遞歸地（recursive）把小于基準(zhǔn)值元素的子數(shù)列和大于基準(zhǔn)值元素的子數(shù)列排序。
遞歸的最底部情形，是數(shù)列的大小是零或一，也就是永遠(yuǎn)都已經(jīng)被排序好了。雖然一直遞歸下去，但是這個(gè)算法總會(huì)結(jié)束，因?yàn)樵诿看蔚牡╥teration）中，它至少會(huì)把一個(gè)元素?cái)[到它最后的位置去。

快速排序的分析

def quick_sort(alist, start, end):
 """快速排序"""
 # 遞歸的退出條件
 if start >= end:
  return
 # 設(shè)定起始元素為要尋找位置的基準(zhǔn)元素
 mid = alist[start]
 # low為序列左邊的由左向右移動(dòng)的游標(biāo)
 low = start
 # high為序列右邊的由右向左移動(dòng)的游標(biāo)
 high = end
 while low < high:
  # 如果low與high未重合，high指向的元素不比基準(zhǔn)元素小，則high向左移動(dòng)
  while low < high and alist[high] >= mid:
   high -= 1
  # 將high指向的元素放到low的位置上
  alist[low] = alist[high]
  # 如果low與high未重合，low指向的元素比基準(zhǔn)元素小，則low向右移動(dòng)
  while low < high and alist[low] < mid:
   low += 1
  # 將low指向的元素放到high的位置上
  alist[high] = alist[low]
 # 退出循環(huán)后，low與high重合，此時(shí)所指位置為基準(zhǔn)元素的正確位置
 # 將基準(zhǔn)元素放到該位置
 alist[low] = mid
 # 對(duì)基準(zhǔn)元素左邊的子序列進(jìn)行快速排序
 quick_sort(alist, start, low-1)
 # 對(duì)基準(zhǔn)元素右邊的子序列進(jìn)行快速排序
 quick_sort(alist, low+1, end)
alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
quick_sort(alist,0,len(alist)-1)
print(alist)

時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(nlogn)
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
3. 穩(wěn)定性：不穩(wěn)定

從一開(kāi)始快速排序平均需要花費(fèi)O(n log n)時(shí)間的描述并不明顯。但是不難觀察到的是分區(qū)運(yùn)算，數(shù)組的元素都會(huì)在每次循環(huán)中走訪過(guò)一次，使用O(n)的時(shí)間。在使用結(jié)合（concatenation）的版本中，這項(xiàng)運(yùn)算也是O(n)。

在最好的情況，每次我們運(yùn)行一次分區(qū)，我們會(huì)把一個(gè)數(shù)列分為兩個(gè)幾近相等的片段。這個(gè)意思就是每次遞歸調(diào)用處理一半大小的數(shù)列。因此，在到達(dá)大小為一的數(shù)列前，我們只要作log n次嵌套的調(diào)用。這個(gè)意思就是調(diào)用樹(shù)的深度是O(log n)。但是在同一層次結(jié)構(gòu)的兩個(gè)程序調(diào)用中，不會(huì)處理到原來(lái)數(shù)列的相同部分；因此，程序調(diào)用的每一層次結(jié)構(gòu)總共全部?jī)H需要O(n)的時(shí)間（每個(gè)調(diào)用有某些共同的額外耗費(fèi)，但是因?yàn)樵诿恳粚哟谓Y(jié)構(gòu)僅僅只有O(n)個(gè)調(diào)用，這些被歸納在O(n)系數(shù)中）。結(jié)果是這個(gè)算法僅需使用O(n log n)時(shí)間。

快速排序演示

希爾排序

希爾排序(Shell Sort)是插入排序的一種。也稱(chēng)縮小增量排序，是直接插入排序算法的一種更高效的改進(jìn)版本。希爾排序是非穩(wěn)定排序算法。該方法因DL．Shell于1959年提出而得名。 希爾排序是把記錄按下標(biāo)的一定增量分組，對(duì)每組使用直接插入排序算法排序；隨著增量逐漸減少，每組包含的關(guān)鍵詞越來(lái)越多，當(dāng)增量減至1時(shí)，整個(gè)文件恰被分成一組，算法便終止。

希爾排序過(guò)程

希爾排序的基本思想是：將數(shù)組列在一個(gè)表中并對(duì)列分別進(jìn)行插入排序，重復(fù)這過(guò)程，不過(guò)每次用更長(zhǎng)的列（步長(zhǎng)更長(zhǎng)了，列數(shù)更少了）來(lái)進(jìn)行。最后整個(gè)表就只有一列了。將數(shù)組轉(zhuǎn)換至表是為了更好地理解這算法，算法本身還是使用數(shù)組進(jìn)行排序。

例如，假設(shè)有這樣一組數(shù)[ 13 14 94 33 82 25 59 94 65 23 45 27 73 25 39 10 ]，如果我們以步長(zhǎng)為5開(kāi)始進(jìn)行排序，我們可以通過(guò)將這列表放在有5列的表中來(lái)更好地描述算法，這樣他們就應(yīng)該看起來(lái)是這樣(豎著的元素是步長(zhǎng)組成)：

13 14 94 33 82

25 59 94 65 23

45 27 73 25 39

10

然后我們對(duì)每列進(jìn)行排序：

10 14 73 25 23

13 27 94 33 39

25 59 94 65 82

45

將上述四行數(shù)字，依序接在一起時(shí)我們得到：[ 10 14 73 25 23 13 27 94 33 39 25 59 94 65 82 45 ]。這時(shí)10已經(jīng)移至正確位置了，然后再以3為步長(zhǎng)進(jìn)行排序：

10 14 73

25 23 13

27 94 33

39 25 59

94 65 82

45

排序之后變?yōu)椋?/p>

10 14 13

25 23 33

27 25 59

39 65 73

45 94 82

94

最后以1步長(zhǎng)進(jìn)行排序（此時(shí)就是簡(jiǎn)單的插入排序了）

希爾排序的分析 

def shell_sort(alist):
 n = len(alist)
 # 初始步長(zhǎng)
 gap = n / 2
 while gap > 0:
  # 按步長(zhǎng)進(jìn)行插入排序
  for i in range(gap, n):
   j = i
   # 插入排序
   while j>=gap and alist[j-gap] > alist[j]:
    alist[j-gap], alist[j] = alist[j], alist[j-gap]
    j -= gap
  # 得到新的步長(zhǎng)
  gap = gap / 2
alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
shell_sort(alist)
print(alist)

 時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：根據(jù)步長(zhǎng)序列的不同而不同
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(n2)
3. 穩(wěn)定想：不穩(wěn)定
   

希爾排序演示

歸并排序

歸并排序是采用分治法的一個(gè)非常典型的應(yīng)用。歸并排序的思想就是先遞歸分解數(shù)組，再合并數(shù)組。

將數(shù)組分解最小之后，然后合并兩個(gè)有序數(shù)組，基本思路是比較兩個(gè)數(shù)組的最前面的數(shù)，誰(shuí)小就先取誰(shuí)，取了后相應(yīng)的指針就往后移一位。然后再比較，直至一個(gè)數(shù)組為空，最后把另一個(gè)數(shù)組的剩余部分復(fù)制過(guò)來(lái)即可。

歸并排序的分析

def merge_sort(alist):
 if len(alist) <= 1:
  return alist
 # 二分分解
 num = len(alist)/2
 left = merge_sort(alist[:num])
 right = merge_sort(alist[num:])
 # 合并
 return merge(left,right)
def merge(left, right):
 '''合并操作，將兩個(gè)有序數(shù)組left[]和right[]合并成一個(gè)大的有序數(shù)組'''
 #left與right的下標(biāo)指針
 l, r = 0, 0
 result = []
 while l<len(left) and r<len(right):
  if left[l] < right[r]:
   result.append(left[l])
   l += 1
  else:
   result.append(right[r])
   r += 1
 result += left[l:]
 result += right[r:]
 return result
alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
sorted_alist = mergeSort(alist)
print(sorted_alist)

 時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(nlogn)
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(nlogn)
3. 穩(wěn)定性：穩(wěn)定 

常見(jiàn)排序算法效率比較

搜索

搜索是在一個(gè)項(xiàng)目集合中找到一個(gè)特定項(xiàng)目的算法過(guò)程。搜索通常的答案是真的或假的，因?yàn)樵擁?xiàng)目是否存在。 搜索的幾種常見(jiàn)方法：順序查找、二分法查找、二叉樹(shù)查找、哈希查找

二分法查找

二分查找又稱(chēng)折半查找，優(yōu)點(diǎn)是比較次數(shù)少，查找速度快，平均性能好；其缺點(diǎn)是要求待查表為有序表，且插入刪除困難。因此，折半查找方法適用于不經(jīng)常變動(dòng)而查找頻繁的有序列表。首先，假設(shè)表中元素是按升序排列，將表中間位置記錄的關(guān)鍵字與查找關(guān)鍵字比較，如果兩者相等，則查找成功；否則利用中間位置記錄將表分成前、后兩個(gè)子表，如果中間位置記錄的關(guān)鍵字大于查找關(guān)鍵字，則進(jìn)一步查找前一子表，否則進(jìn)一步查找后一子表。重復(fù)以上過(guò)程，直到找到滿足條件的記錄，使查找成功，或直到子表不存在為止，此時(shí)查找不成功。

 二分法查找實(shí)現(xiàn)

（非遞歸實(shí)現(xiàn)）

def binary_search(alist, item):
  first = 0
  last = len(alist)-1
  while first<=last:
   midpoint = (first + last)/2
   if alist[midpoint] == item:
    return True
   elif item < alist[midpoint]:
    last = midpoint-1
   else:
    first = midpoint+1
 return False
testlist = [0, 1, 2, 8, 13, 17, 19, 32, 42,]
print(binary_search(testlist, 3))
print(binary_search(testlist, 13))
（遞歸實(shí)現(xiàn)）
def binary_search(alist, item):
 if len(alist) == 0:
  return False
 else:
  midpoint = len(alist)//2
  if alist[midpoint]==item:
   return True
  else:
   if item<alist[midpoint]:
   return binary_search(alist[:midpoint],item)
   else:
   return binary_search(alist[midpoint+1:],item)
testlist = [0, 1, 2, 8, 13, 17, 19, 32, 42,]
print(binary_search(testlist, 3))
print(binary_search(testlist, 13))

時(shí)間復(fù)雜度

1. 最優(yōu)時(shí)間復(fù)雜度：O(1)
2. 最壞時(shí)間復(fù)雜度：O(logn)

總結(jié)

以上所述是小編給大家介紹的Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（幾種排序）小結(jié)，希望對(duì)大家有幫助，如果大家有任何疑問(wèn)歡迎給我留言，小編會(huì)及時(shí)回復(fù)大家的！

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