箱排序

分配排序的基本思想:排序过程无须比较关键字,而是通过"分配"和"收集"过程来实现排序.它们的时间复杂度可达到线性阶:O(n)。

本节介绍第一种分配排序方法:箱排序。

箱排序

1、箱排序的基本思想

箱排序也称桶排序(Bucket Sort),其基本思想是:设置若干个箱子,依次扫描待排序的记录 R[0],R[1],…,R[n-1],把关键字等于 k 的记录全都装入到第 k 个箱子里(分配),然后按序号依次将各非空的箱子首尾连接起来(收集)。

【例】要将一副混洗的 52 张扑克牌按点数 A<2<…<J<Q<K 排序,需设置 13 个"箱子",排序时依次将每张牌按点数放入相应的箱子里,然后依次将这些箱子首尾相接,就得到了按点数递增序排列的一副牌。

2、箱排序中,箱子的个数取决于关键字的取值范围。

若 R[0..n-1]中关键字的取值范围是0到m-1的整数,则必须设置 m 个箱子。因此箱排序要求关键字的类型是有限类型,否则可能要无限个箱子。

3、箱子的类型应设计成链表为宜

一般情况下每个箱子中存放多少个关键字相同的记录是无法预料的,故箱子的类型应设计成链表为宜。

4、为保证排序是稳定的,分配过程中装箱及收集过程中的连接必须按先进先出原则进行。

(1)实现方法一

每个箱子设为一个链队列。当一记录装入某箱子时,应做人队操作将其插入该箱子尾部;而收集过程则是对箱子做出队操作,依次将出队的记录放到输出序列中。

(2)实现方法二

若输入的待排序记录是以链表形式给出时,出队操作可简化为是将整个箱子链表链接到输出链表的尾部。这只需要修改输出链表的尾结点中的指针域,令其指向箱子链表的头,然后修改输出链表的尾指针,令其指向箱子链表的尾即可。

5、算法简析

分配过程的时间是 O(n);收集过程的时间为 O(m) (采用链表来存储输入的待排序记录)或 O(m+n)。因此,箱排序的时间为 O(m+n)。若箱子个数m的数量级为 O(n),则箱排序的时间是线性的,即 O(n)。

注意: 箱排序实用价值不大,仅适用于作为基数排序(下节介绍)的一个中间步骤。

桶排序

箱排序的变种。为了区别于上述的箱排序,姑且称它为桶排序(实际上箱排序和桶排序是同义词)。

1、桶排序基本思想

桶排序的思想是把[0,1)划分为n个大小相同的子区间,每一子区间是一个桶。然后将n个记录分配到各个桶中。因为关键字序列是均匀分布在[0,1)上的,所以一般不会有很多个记录落入同一个桶中。由于同一桶中的记录其关键字不尽相同,所以必须采用关键字比较的排序方法(通常用插入排序)对各个桶进行排序,然后依次将各非空桶中的记录连接(收集)起来即可。

注意: 这种排序思想基于以下假设:假设输入的 n 个关键字序列是随机分布在区间[0,1)之上。若关键字序列的取值范围不是该区间,只要其取值均非负,我们总能将所有关键字除以某一合适的数,将关键字映射到该区间上。但要保证映射后的关键字是均匀分布在[0,1)上的。

2、桶排序算法

伪代码算法为:

void BucketSon(R)  
  { //对R[0..n-1]做桶排序,其中0≤R[i].key<1(0≤i<n)  
    for(i=0,i<n;i++) //分配过程.  
      将R[i]插入到桶B[「n(R[i].key)」]中; //可插入表头上  
    for(i=0;i<n;i++) //排序过程  
      当B[i]非空时用插人排序将B[i]中的记录排序;  
    for(i=0,i<n;i++) //收集过程  
      若B[i]非空,则将B[i]中的记录依次输出到R中;  
   }  

注意: 实现时需设置一个指针向量 B[0..n-1]来表示 n 个桶。但因为任一记录 R[i]的关键字满足:0≤R[i].key<1(0≤i≤n-1),所以必须将 R[i].key映射到 B 的下标区间[0,n-1)上才能使 R[i]装入某个桶中,这可通过└n*(R[i].key)┘来实现。

桶排序示例

R[0..9]中的关键字为 (0.78,0.17,0.39,0.26,0.72,0.94,0.21, 0.12,0.23,0.68),用算法BucketSort排序的过程。

分析: 这里 n=10,故 B[0..9]这 10 个桶表示的子区间分别是[0,0.1),[0.1,0.2),…,[0.9,1)。 收集过程只要按 B[0],B[1],…,B[9]的次序将各非空桶首尾链接起来,或将其输出到 R[0..9)中即可。

桶排序算法分析

桶排序的平均时间复杂度是线性的,即 O(n)。但最坏情况仍有可能是 O(n2)。

箱排序只适用于关键字取值范围较小的情况,否则所需箱子的数目 m 太多导致浪费存储空间和计算时间。

【例】n=10,被排序的记录关键字 ki 取值范围是 0 到 99 之间的整数(36,5,16,98,95,47, 32,36,48)时,要用 100 个箱子来做一趟箱排序。(即若 m=n2 时,箱排序的时间 O(m+n)=O(n2))。

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