数据结构——七种排序（java）实现

在计算机科学中，排序是一个重要的操作，它能够让数据以特定顺序排列，从而更方便地进行查找和管理。本文将介绍七种常见的排序算法，并提供相应的Java实现代码。

1. 冒泡排序 (Bubble Sort)

冒泡排序是一种简单的排序算法，工作原理是重复地走访要排序的元素，比较相邻元素并交换顺序错误的元素。

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

2. 选择排序 (Selection Sort)

选择排序每一轮选择最小（或者最大）的元素，并将其放于已排序序列的末尾。

public class SelectionSort {
    public static void selectionSort(int[] arr) {
        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;
                }
            }
            // 交换
            int temp = arr[minIndex];
            arr[minIndex] = arr[i];
            arr[i] = temp;
        }
    }
}

3. 插入排序 (Insertion Sort)

插入排序通过将每个元素插入到已经排好序的部分中，逐步实现排序。

public class InsertionSort {
    public static void insertionSort(int[] arr) {
        int n = arr.length;
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            int key = arr[i];
            int j = i - 1;
            while (j >= 0 && arr[j] > key) {
                arr[j + 1] = arr[j];
                j--;
            }
            arr[j + 1] = key;
        }
    }
}

4. 快速排序 (Quick Sort)

快速排序是一种分治法的排序算法，通过一个基准元素将数组分为两部分，递归地对每部分进行排序。

public class QuickSort {
    public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low < high) {
            int pi = partition(arr, low, high);
            quickSort(arr, low, pi - 1);
            quickSort(arr, pi + 1, high);
        }
    }

    private static int partition(int[] arr, int low, int high) {
        int pivot = arr[high];
        int i = (low - 1);
        for (int j = low; j < high; j++) {
            if (arr[j] < pivot) {
                i++;
                // 交换
                int temp = arr[i];
                arr[i] = arr[j];
                arr[j] = temp;
            }
        }
        int temp = arr[i + 1];
        arr[i + 1] = arr[high];
        arr[high] = temp;
        return i + 1;
    }
}

5. 归并排序 (Merge Sort)

归并排序同样是一种分治法的排序算法，将数组分成两个子数组，对它们进行排序后再合并。

public class MergeSort {
    public static void mergeSort(int[] arr) {
        if (arr.length < 2) return;
        int mid = arr.length / 2;
        int[] left = new int[mid];
        int[] right = new int[arr.length - mid];

        System.arraycopy(arr, 0, left, 0, mid);
        System.arraycopy(arr, mid, right, 0, arr.length - mid);

        mergeSort(left);
        mergeSort(right);
        merge(arr, left, right);
    }

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

6. 堆排序 (Heap Sort)

堆排序是利用堆这种数据结构来进行排序，首先构建最大（或最小）堆，然后依次取出堆顶元素。

public class HeapSort {
    public static void heapSort(int[] arr) {
        int n = arr.length;
        for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
            heapify(arr, n, i);
        }
        for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
            // 将当前根交换到末尾
            int temp = arr[0];
            arr[0] = arr[i];
            arr[i] = temp;
            heapify(arr, i, 0);
        }
    }

    private static void heapify(int[] arr, int n, int i) {
        int largest = i;
        int left = 2 * i + 1;
        int right = 2 * i + 2;

        if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
            largest = left;
        }
        if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
            largest = right;
        }
        if (largest != i) {
            int swap = arr[i];
            arr[i] = arr[largest];
            arr[largest] = swap;
            heapify(arr, n, largest);
        }
    }
}

7. 计数排序 (Counting Sort)

计数排序是一种非比较的排序算法，适用于范围不大的整数排序，通过计数每个值的出现次数来实现排序。

public class CountingSort {
    public static void countingSort(int[] arr) {
        int max = Integer.MIN_VALUE;
        for (int num : arr) {
            if (num > max) {
                max = num;
            }
        }

        int[] count = new int[max + 1];
        for (int num : arr) {
            count[num]++;
        }

        int index = 0;
        for (int i = 0; i < count.length; i++) {
            while (count[i] > 0) {
                arr[index++] = i;
                count[i]--;
            }
        }
    }
}

结论

本文介绍了七种常见的排序算法及其在Java中的实现。这些算法各有特点，适用的场景也不同。在选择排序算法时，我们需要根据数据的特性、规模及内存限制等因素进行合理选择。希望这些代码示例能对你的学习和理解有所帮助。