Java實現常用排序演算法

排序演算法是計算機科學中一個基本的問題，它是將一組數據按照一定的順序進行排列的過程。排序演算法有多種實現方法，如冒泡排序、插入排序、選擇排序、快速排序、歸併排序等。本文將從多個方面介紹Java實現常用排序演算法。

一、排序演算法介紹

排序演算法是解決全序問題的基本方法，也是大多數語言和框架中的基礎工具。排序演算法的目的是將一組無序的數據按照一定的順序排列，使得之後的查找和處理更加高效。如果數據量較小，複雜度不是一個大問題，但如果數據量過大，對於性能和空間的要求會十分苛刻。一般來說，需要在時間和空間之間取得折中，使得排序演算法在保證數據有序的同時，對性能和空間的消耗稍微平衡一些。

二、常用排序演算法及其實現

1. 冒泡排序

冒泡排序是最基礎的排序演算法之一，它的基本思想是將數組中的相鄰兩個元素進行比較，如果左邊的元素大於右邊的元素，就將它們兩者交換，直到所有元素都排序完成為止。該演算法的時間複雜度為O(n^2)，穩定性較好。

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

2. 插入排序

插入排序是將數組中元素一個一個插入到已排序的數組中去，比較適合數據量較小的情況。它的時間複雜度為O(n^2)，穩定性較好。

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

3. 選擇排序

選擇排序是以選擇的方式排列數組，每一輪循環選擇出一個最小的元素，並將其放在數組的最前面作為已排序的部分。該演算法的時間複雜度為O(n^2)，穩定性較差。

public static 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[minIndex];
            arr[minIndex] = arr[i];
            arr[i] = temp;
        }
    }
}

4. 快速排序

快速排序是一種較快的排序演算法，基於分治思想，具有時間複雜度比較快的優點。

public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int partitionIndex = getPartitionIndex(arr, low, high);
        quickSort(arr, low, partitionIndex - 1);
        quickSort(arr, partitionIndex + 1, high);
    }
}

public static int getPartitionIndex(int[] arr, int left, int right) {
    int pivot = arr[left];
    while (left < right) {
        while (left < right && arr[right] >= pivot) {
            right--;
        }
        arr[left] = arr[right];
        while (left < right && arr[left] <= pivot) {
            left++;
        }
        arr[right] = arr[left];
    }
    arr[left] = pivot;
    return left;
}

5. 歸併排序

歸併排序是一種遞歸排序演算法，將數組分成兩個部分，分別對兩個子數組排序再將兩個子數組合併成一個有序的數組。該演算法的時間複雜度最好情況下為O(nlogn)，穩定性較好。

public static 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);
    }
}

public static void merge(int[] arr, int left, int mid, int right) {
    int[] temp = new int[right - left + 1];
    int i = left;
    int j = mid + 1;
    int 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++];
    }
    for (int p = 0; p < temp.length; p++) {
        arr[left + p] = temp[p];
    }
}

三、總結

Java實現常用排序演算法是理解排序演算法和演算法訓練的重要部分。在本文中，我們介紹了五種常用的排序演算法，包括冒泡排序、插入排序、選擇排序、快速排序和歸併排序。每種演算法都有其特點和應用場景。在實際應用中，我們需要結合選用的演算法特徵和數據量選擇具體的排序演算法。