c++快速查找实现(递归和非递归)
快速排序是C.R.A.Hoare于1962年提出的一种划分交换排序。它采用了一种分治的策略,通常称其为分治法(Divide-and-ConquerMethod)。
(1) 分治法的基本思想
分治法的基本思想是:将原问题分解为若干个规模更小但结构与原问题相似的子问题。递归地解这些子问题,然后将这些子问题的解组合为原问题的解。
(2)快速排序的基本思想
设当前待排序的无序区为R[low..high],利用分治法可将快速排序的基本思想描述为:
①分解:
在R[low..high]中任选一个记录作为基准(Pivot),以此基准将当前无序区划分为左、右两个较小的子区间R[low..pivotpos-1)和R[pivotpos+1..high],并使左边子区间中所有记录的关键字均小于等于基准记录(不妨记为pivot)的关键字pivot.key,右边的子区间中所有记录的关键字均大于等于pivot.key,而基准记录pivot则位于正确的位置(pivotpos)上,它无须参加后续的排序。
注意:
划分的关键是要求出基准记录所在的位置pivotpos。划分的结果可以简单地表示为(注意pivot=R[pivotpos]):
R[low..pivotpos-1].keys≤R[pivotpos].key≤R[pivotpos+1..high].keys
其中low≤pivotpos≤high。
②求解:
通过递归调用快速排序对左、右子区间R[low..pivotpos-1]和R[pivotpos+1..high]快速排序。
③组合:
因为当"求解"步骤中的两个递归调用结束时,其左、右两个子区间已有序。对快速排序而言,"组合"步骤无须做什么,可看作是空操作。
以图为例子,更好理解:
以一个数组作为示例,取区间第一个数为基准数。
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
72 |
6 |
57 |
88 |
60 |
42 |
83 |
73 |
48 |
85 |
初始时,i = 0; j = 9; X = a[i] = 72
由于已经将a[0]中的数保存到X中,可以理解成在数组a[0]上挖了个坑,可以将其它数据填充到这来。
从j开始向前找一个比X小或等于X的数。当j=8,符合条件,将a[8]挖出再填到上一个坑a[0]中。a[0]=a[8]; i++; 这样一个坑a[0]就被搞定了,但又形成了一个新坑a[8],这怎么办了?简单,再找数字来填a[8]这个坑。这次从i开始向后找一个大于X的数,当i=3,符合条件,将a[3]挖出再填到上一个坑中a[8]=a[3]; j--;
数组变为:
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
48 |
6 |
57 |
88 |
60 |
42 |
83 |
73 |
88 |
85 |
i = 3; j = 7; X=72
再重复上面的步骤,先从后向前找,再从前向后找。
从j开始向前找,当j=5,符合条件,将a[5]挖出填到上一个坑中,a[3] = a[5]; i++;
从i开始向后找,当i=5时,由于i==j退出。
此时,i = j = 5,而a[5]刚好又是上次挖的坑,因此将X填入a[5]。
数组变为:
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
48 |
6 |
57 |
42 |
60 |
72 |
83 |
73 |
88 |
85 |
代码实现:
/*the quickSort,partion method first */ template<class DataType> int Partition(vector<DataType> &vect, int low, int high) { DataType base = vect[low];//the first element as compare-base while( low < high) { while( low < high && vect[high] >= base ) high--; if( low < high ) vect[low] = vect[high];//move the value of high to the low while( low < high && vect[low] < base) low++; if( low < high ) vect[high] = vect[low]; } vect[low] = base;//at this time,low==high return low; }
上面函数是快速排序的一次实现,返回需要划分的位置。
递归的快速排序:
/*recursive*/ template<class DataType> void QuickSort_Recursive(vector<DataType> &vect, int low, int high ) { if( low < high) { int mid = Partition(vect, low, high); QuickSort_Recursive(vect, low, mid-1); QuickSort_Recursive(vect, mid+1, high); } }非递归的快速排序代码,用栈来实现。
/*no recursive,using stack*/ template<class DataType> void QuickSort_NoRecursive(vector<DataType> &vect, int low, int high) { stack<int> stack; if( low < high ) { int mid = Partition(vect, low, high); /*using devide-and-conquer,stack only save the first and the last element in the child*/ if( low < mid-1 ) { stack.push(low); stack.push(mid-1); } if( high > mid+1 ) { stack.push(mid+1); stack.push(high); } while(!stack.empty()) { int q = stack.top(); stack.pop(); int p = stack.top(); stack.pop(); mid = Partition(vect, p, q); if( p < mid-1 ) { stack.push(p); stack.push(mid-1); } if( q > mid+1 ) { stack.push(mid+1); stack.push(q); } } } }
完整的代码如下,经过测试没有发现问题,测试是用rand()随机产生的100000数据排序,并计算递归和非递归算法花费时间:
#include <ctime>//clock() #include <cstdlib> #include <algorithm>//random_shuffle #include <stack> #include <vector> #include <iostream> using namespace std; /*the quickSort,partion method first */ template<class DataType> int Partition(vector<DataType> &vect, int low, int high) { DataType base = vect[low];//the first element as compare-base while( low < high) { while( low < high && vect[high] >= base ) high--; if( low < high ) vect[low] = vect[high];//move the value of high to the low while( low < high && vect[low] < base) low++; if( low < high ) vect[high] = vect[low]; } vect[low] = base;//at this time,low==high return low; } /*recursive*/ template<class DataType> void QuickSort_Recursive(vector<DataType> &vect, int low, int high ) { if( low < high) { int mid = Partition(vect, low, high); QuickSort_Recursive(vect, low, mid-1); QuickSort_Recursive(vect, mid+1, high); } } /*no recursive,using stack*/ template<class DataType> void QuickSort_NoRecursive(vector<DataType> &vect, int low, int high) { stack<int> stack; if( low < high ) { int mid = Partition(vect, low, high); /*using devide-and-conquer,stack only save the first and the last element in the child*/ if( low < mid-1 ) { stack.push(low); stack.push(mid-1); } if( high > mid+1 ) { stack.push(mid+1); stack.push(high); } while(!stack.empty()) { int q = stack.top(); stack.pop(); int p = stack.top(); stack.pop(); mid = Partition(vect, p, q); if( p < mid-1 ) { stack.push(p); stack.push(mid-1); } if( q > mid+1 ) { stack.push(mid+1); stack.push(q); } } } } int main(int argc, char** argv) { int len = 1000000; vector<int> vect; for(int i=0; i<len; i++) vect.push_back(rand()); clock_t t1 = clock(); QuickSort_Recursive(vect, 0, len-1); clock_t t2 = clock(); cout<<"recursive using time:"<<1.0*(t2-t1)/CLOCKS_PER_SEC<<endl; random_shuffle(vect.begin(), vect.end());//Rearranges the elements in the range [first,last) randomly t1 = clock(); QuickSort_NoRecursive(vect, 0, len-1); t2 = clock(); cout<<"No recursive using time:"<<1.0*(t2-t1)/CLOCKS_PER_SEC<<endl; return 0; }
运行结果:
[liujl@localhost mycpp]$ g++ -g quickSort.cxx -o quickSort [liujl@localhost mycpp]$ ./quickSort recursive using time:0.34 No recursive using time:0.43
可以看到,递归的速度要比非递归快!!
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