Java實現排序算法

排序是計算機科學中一個重要的問題，因為它經常用於數據庫查詢、數據壓縮等應用中。排序算法是將一組數據按照特定規則排列的過程，可以將數組或列表按升序或降序排列。

一、冒泡排序

冒泡排序是最簡單但同時也是最低效的算法之一。此算法在每輪比較中，會比較相鄰兩個元素，如果順序錯誤，就交換它們。因為每輪比較都會讓一個最大或最小值「浮」到數組的頂端（首位），所以稱為冒泡排序。

public void bubbleSort(int[] arr) {
    int temp;
    //外層循環控制排序次數
    for(int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
        //內層循環控制從頭到i已有序無需再排序的元素
        for(int j = 0; j  arr[j + 1]) {
                temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

二、快速排序

快速排序是一種基於比較的排序算法，通過選取一個基準值（pivot）並通過一趟排序將要排序的數據分割成獨立的兩部分，左邊的小於基準值，右邊的大於基準值。然後再按照此方法對這兩部分分別進行快速排序，直到整個序列有序。

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

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

三、歸併排序

歸併排序是基於分治思想的排序算法，將待排序數組分成左右兩部分，分別對左右部分進行歸併排序，最後將兩個有序部分歸併成一個有序數組。歸併排序的時間複雜度為O(NlogN)，是十分高效的排序算法。

public 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 void merge(int[] arr, int left, int mid, int right) {
    int[] temp = new int[right - left + 1];
    int i = left, j = mid + 1, 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);
}

四、堆排序

堆排序是基於完全二叉樹的排序算法，通過構建最大堆或最小堆，將根節點與末節點交換並重新構建堆，可以得到一個有序序列。堆排序的時間複雜度為O(NlogN)，是一種高效的排序算法。

public void heapSort(int[] arr) {
    for (int i = arr.length / 2 - 1; i >= 0; i--) {
        adjustHeap(arr, i, arr.length);
    }
    for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {
        swap(arr, 0, i);
        adjustHeap(arr, 0, i);
    }
}

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

private void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

五、選擇排序

選擇排序是一種簡單直觀的排序算法，每次從未排序的數據中選擇最小（或最大）的元素，放到已排序數據末尾（或開頭），以此類推，直到所有數據都排序完畢。此算法的時間複雜度始終為O(N^2)，不適合大規模數據的排序。

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

六、插入排序

插入排序是一種簡單直觀的排序算法，將數組分為已排序和未排序兩部分，每次將未排序部分的第一個元素插入到己排序部分的正確位置。此算法的時間複雜度始終為O(N^2)，不適合大規模數據的排序。

public void insertionSort(int[] arr) {
    for (int i = 1; i = 0 && arr[j] > temp) {
            arr[j + 1] = arr[j];
            j--;
        }
        arr[j + 1] = temp;
    }
}

七、總結

七種排序算法分別是冒泡排序、快速排序、歸併排序、堆排序、選擇排序和插入排序。這些算法各有所長，應根據具體情況進行選擇。在實際開發中，建議使用Java集合框架提供的排序方法，如：Collections.sort()方法。