快速排序逐行代码精析
1.定义
快速排序有三要素：
- 分区算法【如何将一个无序的数组分区，才是快速排序的关键】
- 递归【分治法解决问题】
- 合并问题【其实不用合并数组，因为数组在递归的时候就已经完全有序了】
2.算法思想
- 利用分治的方法【表现形式是递归】将一个数组由一个枢轴元素分成两部分。枢轴的左部分比枢轴元素小，枢轴元素的右部分比枢轴元素大。 【正确的描述应该是：枢轴左边的元素不比枢轴大，枢轴右边的元素不比枢轴小。】
- 取某无序数组区间的第一个元素【下标为 0 （不一定是0，枢轴元素下标是low，只有第一次递归时，才是0）开始计算】为枢轴元素，记为pivotKey。
- 初始时：low = 0,high = array.length-1【是否减一，则要看数组的存储是从0开始，还是1开始。】；
- 从high开始依次向左依次遍历数组，如果low<high && array[high] > pivotKey，则执行high--；反之，退出while循环；
- 从low开始依次向右遍历数组，如果low<high && array[low] < pivotKey，则执行low++；反之，退出while循环；
- 判断low是否小于等于high，若是，则将array[low]与array[high]交换；否则，不交换。
- 当low==high时，一轮排序结束，返回当前枢轴元素所在的下标。
- 枢轴元素下标左部分和右部分的无序数组再次进行排序。直至全部完成。
3.代码
3.1 伪代码
因为伪代码好理解，方便记忆，所以先给出文字版的伪代码，然后再给出具体代码。
- 伪代码
#include<iostream>
using namespace std;
int arr[maxN];//初始数组
//0.待排序的区间是 [low,high]
void quickSort(int low,int high){
/*step 1.临界返回条件
01.如果只有一个元素（low==high），就不用排序了，直接返回就可以了。
02.如果区间low甚至比high还要大，肯定也是要返回的。出现这种情况的原因是：
每次排序只将一个元素正确的放到位置上。如果对于原本就有序的序列，在将high变成i-1时，就可能比low小了
（同样的道理，i+1可能比high大）
*/
if(low >= high)
return ;
/*
step 2.移动元素，做区间的划分
01.选枢轴元素，做左右区间的划分
02.【重要】不能污染low,high，因为后面还要递归调用。所以赋值为i,j即可。
03.【重要】使用三个while循环，每次循环成立的条件都必须有 i<=j。
同时需要注意，左侧不小于时停止while循环，右侧不大于时停止while循环。
在代码中的体现就是，while循环中的条件没有等于号。
04.只有在i <= j时，才交换两个数 （等于号可以不要）
*/
/*
step 3.递归对左右子区间排序
*/
quickSort(low,i-1);
quickSort(i+1,high);
}
- 具体代码模板【记下来！】
#include<iostream>
using namespace std;
const int maxN = 100;
int arr[maxN];//初始数组
void quickSort(int low,int high){
if(low >= high)
return ;
int pivotKey = arr[low];
int i = low,j = high;
while( i < j) {
while(arr[i] < pivotKey && i<=j ) {
i++;
}
while(arr[j] > pivotKey && i<=j ){
j--;
}
if(i<j){
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
quickSort(low,i-1);
quickSort(i+1,high);
}
int main(){
int n;
cin >> n;
for(int i = 0;i< n;i++)
cin >> arr[i];
quickSort(0,n-1);
for(int i = 0;i<n;i++)
cout << arr[i]<<" ";
cout <<"\n";
}
沉痛的面试教训
- 【20200621】 我大概在20200518号面试了一家公司，当时面试官让我手写快排，那真是一个字的尬！我写成出了shit一样的代码。这样的事情发生不止一次了，在我记忆里至少有两个面试官问过我快排的问题了，而我答得都不是很好。希望自己基础知识能够牢牢掌握。
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 5;
int arr[N] ={3,4,1,2,5};
void quickSort(int left, int right){
if(left > right)
return ;
int mid = (left+right)/2;
int tl = left,tr = right;//temp
while(tl <= tr){
//1!!!!
while(arr[tl] < arr[mid] )
tl++;//不一定执行
while(arr[tr] > arr[mid] )
tr--;
if(tr >= tl){//swap
int temp;
temp = arr[tl];
arr[tl] = arr[tr];
arr[tr]=temp;
}
}
quickSort(left,mid);
quickSort(mid+1,right);
}
int main()
{
quickSort(0,4);
for(int i = 0;i< 5;i++)
cout << arr[i] << " ";
return 0;
}
上面这段程序至少存在如下几个问题：
bug1
快排是根据枢轴值将区间分成两个子区间。
int mid = (left+right)/2;
……
while(arr[tl] < arr[mid])
tl++;
if(tr >= tl){
//交换操作...
}
这段代码里会不会出现：本身的arr[mid] 被换到了另外一个位置？ 那么问题就显现出来：我们根据某个值划分区间，结果这个值是个变量！！。这样就无法把枢轴元素放到正确的位置上了。
bug2
程序会陷入死循环。
while(tl <= tr){
while(arr[tl] < arr[mid] )
tl++;//不一定执行
while(arr[tr] > arr[mid] )
tr--;
if(tr >= tl){//swap
int temp;
temp = arr[tl];
arr[tl] = arr[tr];
arr[tr]=temp;
}
}
这段while 代码会让程序陷入死循环。假设现在有如下区间
1 4 3，枢轴元素取1，tl = 0， tr = 2。 按照上面这个代码，会得到tl=tr=1处的死循环，原因就在于 while(tl<=tr) 这个条件
bug3
对与分好的区间，我们接着分其子区间即可。
quickSort(left,mid-1); quickSort(mid+1,right);
但是上面的代码则暴露了一个问题：我并不是真正了解快速排序。我竟然把左区间的右端点写成了mid-1，天理难容！！ 经过上面这个while循环，我们已经将区间根据枢轴值 pivot 分成了左右两个部分，这个while终止的条件也一定是 tl=tr，即arr[tl]的值就是枢轴变量的值。 那么我们的区间应该分成：
quickSort(left,tl-1); quickSort(tl+1,right);
至此，运行一下修改后的快排，貌似可以得到正确答案了。
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 5;
int arr[N] ={3,4,1,2,5};
//int arr[N] ={3,4,1,2,1};
void quickSort(int left, int right){
if(left > right)
return ;
int mid = (left+right)/2;
int tl = left,tr = right;//temp
int pivot = arr[mid];//随机一下=>取中间的值
while(tl < tr){
while(arr[tl] < pivot )
tl++;//不一定执行
while(arr[tr] > pivot )
tr--;
if(tr >= tl){//swap
int temp;
temp = arr[tl];
arr[tl] = arr[tr];
arr[tr]=temp;
}
}
quickSort(left,tl-1);
quickSort(tl+1,right);
}
int main()
{
quickSort(0,4);
for(int i = 0;i< 5;i++)
cout << arr[i] << " ";
return 0;
}
但是如果将arr[]数组替换成 int arr[N] ={5,4,1,2,1};，则发现程序又进入了死循环！！又是为什么呢？
看看下面这组测试数据，其就会得到一个死循环的结果：
这里死循环的原因在于有相同的数字1，为什么有相同的数字就导致死循环呢？ 因为我们的第二重while循环存在问题。
while(tl<tr)
{
...
if(){
... // 程序就是在这里出现了问题！！
}
}
上面程序的问题就是：在相等的情况下，如果只做交换，那么“指针”位置相当于没有移动，所以就导致指针不再往希望方向移动，基于此，可以把代码修改为如下
while(tl<tr)
{
...
if(){
... // 程序就是在这里出现了问题！！
tr--;
tl++; //往后移动一下
}
}
最后再给出一份没有bug的代码：
==========
// Created by lawson on 20-6-21.
#include<iostream>
using namespace std;
int arr[5] = {3,4,1,2,1};
//int arr[5] = {4,3,1,2,5};
//int arr[3] = {1,2,1};
int partition(int left,int right){
int pivot = arr[left];//01.使用区间左端点作为枢轴
//02.递归边界是left < right => 说明最后在退出while循环时会得到：left=right
while(left < right){
/*03.思考为什么去掉等于号就不行了？
原因是：会导致死循环。
如果不在while()循环中越过相同值，那么就应该在交换值的时候越过它；[上面那份代码]
如果在while()循环中越过相同值，那么后面在交换指的时候就可以不用执行right-- 和 left++了【本代码】
04.必须保证先从右往左，因为arr[left]已经保存放到pivot中了，可以覆盖；
但是arr[right]却是不能覆盖的
* */
while(left < right && arr[right]>=pivot) //从右往左找第一个比它小的数
right--;
arr[left] = arr[right];
/*
01.程序运行到这里的时候，说明 right 这个位置的数已经可以被覆盖了，因为它已经把数给arr[left]了，
所以后面可以开始对 left 进行一个 while 操作。直到找到一个 “合适的位置” 将left 赋值到right 中。 此时left 要么小于right ，要么等于right。无论在哪种条件下都是满足交换条件的。
*/
while(left < right && arr[left]<=pivot)//从左往右找第一个比它大的数
left++;
arr[right] = arr[left]; // => 会默认保证right > left
}
arr[left] = pivot; //将pivot 的值放在一个正确的位置上
return left;//这个位置就是一个后面区间的分界点
}
void quickSort(int left,int right){
if(right <= left)
return ;
int mid = partition(left,right);
quickSort(left,mid-1);
quickSort(mid+1,right);
}
int main(){
int n = 5;
quickSort(0,n-1);
for(int i = 0;i< n;i++){
cout << arr[i]<<" ";
}
}
