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<h2 id="1152">11.5.2 算法特性<a class="headerlink" href="#1152" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<li><strong>时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> 、自适应排序</strong> :在平均情况下,哨兵划分的递归层数为 <span class="arithmatex">\(\log n\)</span> ,每层中的总循环数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,总体使用 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> 时间。在最差情况下,每轮哨兵划分操作都将长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的数组划分为长度为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span> 的两个子数组,此时递归层数达到 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 层,每层中的循环数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,总体使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>空间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 、原地排序</strong> :在输入数组完全倒序的情况下,达到最差递归深度 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。排序操作是在原数组上进行的,未借助额外数组。</li>
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<li><strong>时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span>、自适应排序</strong>:在平均情况下,哨兵划分的递归层数为 <span class="arithmatex">\(\log n\)</span> ,每层中的总循环数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,总体使用 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> 时间。在最差情况下,每轮哨兵划分操作都将长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的数组划分为长度为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span> 的两个子数组,此时递归层数达到 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 层,每层中的循环数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,总体使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>空间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span>、原地排序</strong>:在输入数组完全倒序的情况下,达到最差递归深度 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。排序操作是在原数组上进行的,未借助额外数组。</li>
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<li><strong>非稳定排序</strong>:在哨兵划分的最后一步,基准数可能会被交换至相等元素的右侧。</li>
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<h2 id="1153">11.5.3 快排为什么快?<a class="headerlink" href="#1153" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>从名称上就能看出,快速排序在效率方面应该具有一定的优势。尽管快速排序的平均时间复杂度与“归并排序”和“堆排序”相同,但通常快速排序的效率更高,原因如下:</p>
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<p>从名称上就能看出,快速排序在效率方面应该具有一定的优势。尽管快速排序的平均时间复杂度与“归并排序”和“堆排序”相同,但通常快速排序的效率更高,主要有以下原因。</p>
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<li><strong>出现最差情况的概率很低</strong>:虽然快速排序的最差时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,没有归并排序稳定,但在绝大多数情况下,快速排序能在 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> 的时间复杂度下运行。</li>
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<li><strong>缓存使用效率高</strong>:在执行哨兵划分操作时,系统可将整个子数组加载到缓存,因此访问元素的效率较高。而像“堆排序”这类算法需要跳跃式访问元素,从而缺乏这一特性。</li>
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<li><strong>复杂度的常数系数低</strong>:在上述三种算法中,快速排序的比较、赋值、交换等操作的总数量最少。这与“插入排序”比“冒泡排序”更快的原因类似。</li>
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<h2 id="1154">11.5.4 基准数优化<a class="headerlink" href="#1154" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p><strong>快速排序在某些输入下的时间效率可能降低</strong>。举一个极端例子,假设输入数组是完全倒序的,由于我们选择最左端元素作为基准数,那么在哨兵划分完成后,基准数被交换至数组最右端,导致左子数组长度为 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span> 、右子数组长度为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。如此递归下去,每轮哨兵划分后的右子数组长度都为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> ,分治策略失效,快速排序退化为“冒泡排序”。</p>
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<p><strong>快速排序在某些输入下的时间效率可能降低</strong>。举一个极端例子,假设输入数组是完全倒序的,由于我们选择最左端元素作为基准数,那么在哨兵划分完成后,基准数被交换至数组最右端,导致左子数组长度为 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span>、右子数组长度为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。如此递归下去,每轮哨兵划分后的右子数组长度都为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> ,分治策略失效,快速排序退化为“冒泡排序”。</p>
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<p>为了尽量避免这种情况发生,<strong>我们可以优化哨兵划分中的基准数的选取策略</strong>。例如,我们可以随机选取一个元素作为基准数。然而,如果运气不佳,每次都选到不理想的基准数,效率仍然不尽如人意。</p>
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<p>需要注意的是,编程语言通常生成的是“伪随机数”。如果我们针对伪随机数序列构建一个特定的测试样例,那么快速排序的效率仍然可能劣化。</p>
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<p>为了进一步改进,我们可以在数组中选取三个候选元素(通常为数组的首、尾、中点元素),<strong>并将这三个候选元素的中位数作为基准数</strong>。这样一来,基准数“既不太小也不太大”的概率将大幅提升。当然,我们还可以选取更多候选元素,以进一步提高算法的稳健性。采用这种方法后,时间复杂度劣化至 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 的概率大大降低。</p>
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