02.python实现排序算法

一、列表排序

　　将无序列表变为有序列表

　　应用场景： 榜单，表格， 给二分查找用，给其他算法用

二、python实现三种简单排序算法

时间复杂度O(n^2), 空间O(1)

1、冒泡排序

思路：

　　列表每两个相邻的数，如果前面的比后面的大，那么交换这两个数

代码实现：

# 冒泡排序
@cal_time  # 测试执行时间
def bubble_sort(li):
    for i in range(len(li)-1): # i表示第i趟
        # 第i趟无序区位置【0，n-i-1】
        for j in range(len(li)-i-1):
            if li[j] > li[j+1]:
                li[j], li[j+1] = li[j+1], li[j]

# 最好情况 O(n^2)
# 平均情况 O(n^2)
# 最坏情况 O(n^2)

# 优化改进>>>
# 思路：如果冒泡排序中执行一趟而没有交换，则列表已经是有序状态，可以直接结束算法。
@cal_time
def bubble_sort2(li):
    for i in range(len(li)):  # 表示第i趟
        exchange = 0
        # 第i趟无序区的位置【0，n-i-1】 n是列表长度
        for j in range(len(li)-i-1):
            if li[j] > li[j+1]:
                li[j], li[j+1] = li[j+1], li[j]
                exchange = 1
        if not exchange:  # 如果遍历一遍没有发生交换，则已经有序，直接返回
            return

# 最好情况 O(n)
# 平均情况 O(n^2)
# 最坏情况 O(n^2)

2、选择排序

思路：

　　一趟遍历记录最小的数，放到第一个位置；

　　再一趟遍历记录剩余列表中最小的数，继续放置；

　　...

问题：

　　怎么选出最小的数

# 找最小值
def find_min(li):
    min_num = li[0]
    for i in range(1,len(li)):
        if li[i] < min_num:
            min_num = li[i]
    return min_num

# 找最小值的下标
def find_min_pos(li):
    min_pos = 0
    for j in range(1,len(li)):
        if li[j] < li[min_pos]:
            min_pos = j
    return min_pos

li = [2,5,8,9,11,15,5,1]
print(find_min(li))  #
print(find_min_pos(li))  #

选择排序：

def select_sort(li):
    for i in range(len(li)-1):  # 第i趟遍历，从0开始
        # 第i趟 无序区【i, len(li)-1】
        # 找无序区最小数位置，和无序区第一个数交换
        min_pos = i
        for j in range(i+1, len(li)):  # 从无序区第二个开始找
            if li[j] < li[min_pos]:
                min_pos = j
        li[min_pos], li[i] = li[i], li[min_pos]

li = list(range(100))
random.shuffle(li)   # 打乱列表次序
print(li)
select_sort(li)
print(li)

比冒泡排序快。

3、插入排序

思路：

　　列表被分为有序区和无序区两个部分。最初有序区只有一个元素。每次从无序区选择一个元素，插入到有序区的位置，直到无序区变空。

代码：

def insert_sort(li):
    for i in range(1, len(li)):  # i表示第i趟，还表示无序区第一个数的位置
        tmp = li[i]
        j = i - 1  # j 从后往前遍历有序区的指针
        while j >= 0 and li[j] > tmp:  # j遍历结束或无序区第一位大于j指向的数时跳出循环
            li[j + 1] = li[j]  # 有序区的第j位往后挪一位
            j -= 1  # j 向前指一位
        li[j + 1] = tmp  # 将tmp插入到有序区j后面一位

三、python实现三种较复杂排序算法

1、快速排序

时间复杂度： O(nlogn)

思路：

　　取一个元素p(第一个元素)，使元素p归位；

　　列表被p分成两部分，左边都比p小，右边都比p大；

　　左右两边递归完成排序。

方法一（经典方法）：

归位思路：

　　将要归位的数p存起来，此时左游标left指向空

　　将游标指向的数与p比较，大于放右边，小于放左边（详细操作：

　　先将右游标right指向的数与p比较，大于p，位置不变，右游标往左移一位，继续比较；小于p，放到left指向的空位置，此时right指向空，然后移left

　　再将left游标往右移一位指向的数与p比较，小于p，位置不变，left往右移一位，继续比较；大于p，放到right指向的空位置，此时left指向空，然后移right）

　　当左游标等于右游标时，游标指向的位置就是p要归的位置

　　注意处理最坏情况（列表倒序）导致递归达到最大深度，从列表中随机取一个与第一个交换位置

代码：

def quick_sort(li, left, right):
    if left < right:  # 递归区域至少有两个元素
        mid = partition(li, left, right)  # 归位
        quick_sort(li, left, mid-1)  # 左边
        quick_sort(li, mid+1, right)  # 右边

def partition(li, left, right):
    i = random.randint(left, right)  # 防止最坏情况(列表有序或倒序)导致递归达到最大深度，从列表中随机取一个与第一个交换位置
    li[i], li[left] = li[left], li[i]
    tmp = li[left]  # 将要归位的数存起来
    while left < right:
        while left < right and li[right] >= tmp:
            right -= 1   # 右边的数大于等于tmp就不动，right游标往左走
        li[left] = li[right]     # 右边的数小于tmp就往左放
        while left < right and li[left] <= tmp:
            left += 1     # 左边的数小于等于tmp就不动，left游标往右走
        li[right] = li[left]       # 左边的数大于tmp就往右放
    li[left] = tmp  # left=right 将tmp归位
    return left

方法二（算法导论中的归位方法）：

归位思路：

　　取最后一个元素r归位，

　　分两个区域，将小于r的数都放到区域一, 剩下的就是大于r的区域二

　　然后将r与区域二的第一个数交换，就归位成功了

　　与方法1一样也有python递归最大深度的问题

代码实现：

def partition2(li, left, right):
    # 区域1：[left, i] 区域2：[i+1, j-1]
    i = left - 1  # 初始区域1和区域2都空，i指向区域1最后一个数
    for j in range(left, right):
        if li[j] < li[right]:  # 放到区域1，i往后移一位
           i += 1
           li[i], li[j] = li[j], li[i]  # 与区域2的第一个数(i+1)交换归为区域1，
    li[right], li[i+1] = li[i+1], li[right]  # 归位
    return i+1   # 返回mid

方法三（占用空间的方法）：

思路：

　　每次都取中间的数为归位，尽可能的避免最坏情况导致python递归达最大深度的问题

　　开三个列表，一个放大于归位数的，一个放小于归位数的，一个放等于归位数的

　　然后将三个列表拼起来

　　递归结束条件，列表长度小于等于1,　

代码：

def quick_sort3(li):
    if len(li) <= 1:
        return li
    m = li[len(li)//2]  # 防止列表本来就是有序或倒序的，导致递归达到最大深度，不取li[0]
    left = [item for item in li if item < m]
    right = [item for item in li if item > m]
    x = [i for i in li if i == m]
    return quick_sort3(left) + x + quick_sort3(right)

一行实现快速排序：

quick_sort4 = lambda li: li if len(li) <= 1 else quick_sort4([item for item in li[1:] if item <= li[0]]) + [li[0]] + quick_sort4([item for item in li[1:] if item > li[0]])

2、堆排序

堆的概念：

　　堆是完全二叉树，完全二叉树可以用列表来存储，通过规律可以从父亲找到孩子或从孩子找到父亲，堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值

　　大根堆：一棵完全二叉树，满足任一节点都比其孩子节点大

　　小根堆：一棵完全二叉树，满足任一节点都比其孩子节点小

堆排序利用了堆向下调整的特征：节点的左右子树都是堆，但自身不是堆。

向下调整，挨个出数；

通过父节点找子节点：父节点下标为i

　　则：孩子节点为，2i+1 和 2i+2

通过孩子节点找父节点：孩子节点为j

　　子节点为左节点，父节点为：(j-1) / 2

　　子节点为右节点，父节点为：(j-2) / 2

　　不知道为左子节点还是右子节点： (j-1) // 2

代码：

def sift(li, low, high):
    '''
    向下调整
    :param li:
    :param low: 堆顶下标
    :param high: 堆中最后一个元素下标
    :return:
    '''
    tmp = li[low]
    i = low
    j = 2 * i + 1  # i, j 两个游标，初始i指向堆顶，j指向堆顶的左孩子
    while j <= high:   # 第二个结束循环的条件，没有孩子和tmp竞争i这个位置
        if j+1 <= high and li[j+1] > li[j]:  # 如果右孩子存在并且比左孩子大 j指向右孩子
            j += 1
        if li[j] > tmp:
            li[i] = li[j]  # 大的数往上调整
            i = j  # i指向下一个要调整的堆的堆顶
            j = 2 * i + 1  # j指向调整堆的堆顶的左孩子
        else:
            break  # 第一种循环退出情况，tmp比目前两个孩子都大
    li[i] = tmp  # i就是tmp要调整到的位置

def heap_sort(li):
    '''
    堆排序
    :param li:
    :return:
    '''
    # 1. 从列表构造堆，low的值和high的值
    n = len(li)
    # 子节点找父节点: low = (i-1)//2 --> (n-2)//2 --> n//2-1
    for low in range(n//2-1, -1, -1):
        sift(li, low, n-1)
    # 2. 挨个出数 利用原来的空间存储下来的值，但是这些值不属于堆
    for high in range(n-1, -1, -1):  # 或range(n-1, 0, -1)
        li[high], li[0] = li[0], li[high]  # 1.把最大的调下来 2.high对应的数调上去
        sift(li, 0, high - 1)  # 3.调整，high 往前移一个，low为0

3、归并排序

思路：

　　假设现在的列表分两段有序，如何将其合成一个有序列表， 这个操作称为一次归并。

有了归并之后怎么用？

　　分解 ：将列表越分越小，直至分成一个元素

　   终止条件：一个元素是有序的。

　　合并：将两个有序列表归并，列表越来越大。

一次归并：

def merge(li, low, mid, high):
    '''
    归并
    :param li:
    :param low:
    :param mid:
    :param high:
    :return:
    '''
    i = low
    j = mid + 1
    li_tmp = []
    while i <= mid and j <= high:  # 两边都有数
        if li[i] <= li[j]:
            li_tmp.append(li[i])
            i += 1
        else:
            li_tmp.append(li[j])
            j += 1
    # i<=mid 和 j<=high 两个条件 只能有一个满足
    while i <= mid:
        li_tmp.append(li[i])
        i += 1
    while j <= high:
        li_tmp.append(li[j])
        j += 1
    # li_tmp 0~high-low 复制回li low~high
    for i in range(len(li_tmp)):
        li[low + i] = li_tmp[i]

分解合并：

def merge_sort(li, low, high):
    if low < high:  # 至少两个元素
        # print(li[low:high+1], '->', end=' ')
        mid = (low + high) // 2  # 分解
        # print(li[low:mid+1], li[mid+1: high+1])
        merge_sort(li, low, mid)  # 递归排序左边
        merge_sort(li, mid + 1, high)  # 递归排序右边
        # print(li[low:mid+1], li[mid+1: high+1], '->', end=' ')
        merge(li, low, mid, high)  # 一次归并 合并
        # print(li[low:high+1])

小结：