Java 数据结构七大排序使用分析

在编写Java程序时，经常需要用到排序算法对数据进行排序，因此了解并掌握不同排序算法的优缺点以及使用场景，对于提高程序效率和优化程序结构都有很大的帮助。本文将介绍Java数据结构中常用的七大排序算法，并分析他们的使用场景，帮助读者选择最适合自己程序需求的算法。

1. 冒泡排序

冒泡排序是一种简单的排序算法，它的基本思想是通过不断交换相邻两个元素的位置，将较大的元素逐渐放到序列的后面，较小的元素逐渐放到序列的前面，以达到排序的目的。冒泡排序的时间复杂度为O(N^2)，适用于数据量比较小的场景。下面是Java实现冒泡排序的示例代码：

public static void bubbleSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        return;
    }
    int n = arr.length;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

2. 选择排序

选择排序是一种简单的排序算法，它的基本思想是通过不断选择序列中的最小元素，并将其放在序列的起始位置，以达到排序的目的。选择排序的时间复杂度为O(N^2)，适用于数据量比较小的场景。下面是Java实现选择排序的示例代码：

public static void selectionSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        return;
    }
    int n = arr.length;
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        int minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < n; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        if (minIndex != i) {
            int temp = arr[minIndex];
            arr[minIndex] = arr[i];
            arr[i] = temp;
        }
    }
}

3. 插入排序

插入排序是一种简单的排序算法，它的基本思想是通过将一个新元素插入到已经排好序的序列中，使得排好序的序列依然有序，以达到排序的目的。插入排序的时间复杂度为O(N^2)，适用于数据量比较小的场景。下面是Java实现插入排序的示例代码：

public static void insertionSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        return;
    }
    int n = arr.length;
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        int j = i;
        while (j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]) {
            int temp = arr[j];
            arr[j] = arr[j - 1];
            arr[j - 1] = temp;
            j--;
        }
    }
}

4. 希尔排序

希尔排序是一种高效的排序算法，它是插入排序的一种改进算法。希尔排序将序列按照一定的间隔进行分组，并对每组执行插入排序。随着排序的进行，间隔逐渐缩小，直到间隔为1，此时执行最后一次插入排序，即完成了整个排序过程。希尔排序的时间复杂度为 O(N log N) ~ O(N^2)，适用于数据量较大的场景。下面是Java实现希尔排序的示例代码：

public static void shellSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        return;
    }
    int n = arr.length;
    int gap = n / 2;
    while (gap > 0) {
        for (int i = gap; i < n; i++) {
            int j = i;
            while (j >= gap && arr[j] < arr[j - gap]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j - gap];
                arr[j - gap] = temp;
                j -= gap;
            }
        }
        gap /= 2;
    }
}

5. 归并排序

归并排序是一种高效的排序算法，它采用分治法的思想进行排序。归并排序先将序列分成两个子序列，对子序列进行排序，最后将两个排序好的子序列合并成一个排序好的序列。归并排序的时间复杂度为 O(N log N)，适用于数据量较大的场景。下面是Java实现归并排序的示例代码：

public static void mergeSort(int[] arr, int left, int right) {
    if (left < right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        mergeSort(arr, left, mid);
        mergeSort(arr, mid + 1, right);
        merge(arr, left, mid, right);
    }
}

private static void merge(int[] arr, int left, int mid, int right) {
    int[] temp = new int[right - left + 1];
    int i = left;
    int j = mid + 1;
    int k = 0;
    while (i <= mid && j <= right) {
        if (arr[i] < arr[j]) {
            temp[k++] = arr[i++];
        } else {
            temp[k++] = arr[j++];
        }
    }
    while (i <= mid) {
        temp[k++] = arr[i++];
    }
    while (j <= right) {
        temp[k++] = arr[j++];
    }
    System.arraycopy(temp, 0, arr, left, temp.length);
}

6. 快速排序

快速排序是一种高效的排序算法，它采用分治法的思想进行排序。快速排序先选择一个枢轴元素，将序列分为比枢轴元素小的子序列和比枢轴元素大的子序列，然后对子序列分别进行排序。快速排序的时间复杂度为 O(N log N) ~ O(N^2)，适用于数据量较大的场景。下面是Java实现快速排序的示例代码：

public static void quickSort(int[] arr, int left, int right) {
    if (left < right) {
        int pivotIndex = partition(arr, left, right);
        quickSort(arr, left, pivotIndex - 1);
        quickSort(arr, pivotIndex + 1, right);
    }
}

private static int partition(int[] arr, int left, int right) {
    int pivotIndex = left;
    int pivot = arr[pivotIndex];
    while (left < right) {
        while (left < right && arr[right] >= pivot) {
            right--;
        }
        while (left < right && arr[left] <= pivot) {
            left++;
        }
        if (left < right) {
            int temp = arr[left];
            arr[left] = arr[right];
            arr[right] = temp;
        }
    }
    arr[pivotIndex] = arr[left];
    arr[left] = pivot;
    return left;
}

7. 堆排序

堆排序是一种高效的排序算法，它采用二叉堆的数据结构进行排序。堆排序首先将序列转换成二叉堆，然后对堆进行排序，最后将排好序的元素从堆中依次取出，即可得到排序结果。堆排序的时间复杂度为 O(N log N)，适用于数据量比较大的场景。下面是Java实现堆排序的示例代码：

public static void heapSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        return;
    }
    int n = arr.length;
    for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
        adjustHeap(arr, i, n);
    }
    for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[0];
        arr[0] = temp;
        adjustHeap(arr, 0, i);
    }
}

private static void adjustHeap(int[] arr, int i, int n) {
    int temp = arr[i];
    for (int j = 2 * i + 1; j < n; j = 2 * j + 1) {
        if (j + 1 < n && arr[j + 1] > arr[j]) {
            j++;
        }
        if (arr[j] > temp) {
            arr[i] = arr[j];
            i = j;
        } else {
            break;
        }
    }
    arr[i] = temp;
}

示例说明

示例一

假如你需要对一组100个整数的序列进行排序，你应该选择使用哪一种排序算法呢？由于数据量较大，因此应该选择快速排序或归并排序这种时间复杂度为 O(N log N) 的算法。在两个算法中，快速排序的常数因子更小，因此更适合用来处理数据量较大的情况，所以你应该选择使用快速排序进行数据排序。

示例二

假如你需要对一组10个整数的序列进行排序，你应该选择使用哪一种排序算法呢？数据量非常小，那么冒泡排序、选择排序、插入排序都可以胜任这个任务。在三个算法中，插入排序的常数因子最小，因此更适合用来处理数据量小的情况，所以你应该选择使用插入排序进行数据排序。