Java实现10大经典排序算法

       本文简明介绍了10种经典排序算法，涵盖冒泡、选择、插入、快速、希尔、归并、堆、计数、桶和基数排序。每种算法从定义、时间复杂度（最佳/平均/最差）、空间复杂度、稳定性及适用场景进行说明，并附Java实现代码。关键对比显示：快速排序适合通用场景（平均O(nlogn)），堆排序保证最坏情况性能，归并排序兼顾稳定性和效率，而计数/桶/基数排序适用于特定数据特征。最后给出选择建议：内存敏感用堆排序，需稳定性选归并，特定数据用非比较类算法。

时间复杂度和空间复杂度入门必备知识点-CSDN博客 

目录

1. 冒泡排序 (Bubble Sort)

2. 选择排序 (Selection Sort)

3. 插入排序 (Insertion Sort)

4. 快速排序 (Quick Sort)

5. 希尔排序 (Shell Sort)

6. 归并排序 (Merge Sort)

7. 堆排序 (Heap Sort)

8. 计数排序 (Counting Sort)

9. 桶排序 (Bucket Sort)

10. 基数排序 (Radix Sort)

十大排序算法对比总结

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1. 冒泡排序 (Bubble Sort)

• 定义：重复遍历数组，比较相邻元素，若顺序错误则交换。每轮遍历将最大元素“冒泡”到末尾。

• 时间复杂度：

  • 最好：O(n)（已有序）

  • 平均：O(n²)

  • 最坏：O(n²)（完全逆序）

• 空间复杂度：O(1)（原地排序）

• 稳定性：稳定

• Java代码：

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

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2. 选择排序 (Selection Sort)

• 定义：遍历数组，每次选择最小元素放到已排序序列末尾。

• 时间复杂度：O(n²)（所有情况）

• 空间复杂度：O(1)（原地排序）

• 稳定性：不稳定（交换可能破坏顺序）

• Java代码：

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

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3. 插入排序 (Insertion Sort)

• 定义：将未排序元素插入已排序序列的合适位置。

• 时间复杂度：

  • 最好：O(n)（已有序）

  • 平均/最坏：O(n²)

• 空间复杂度：O(1)（原地排序）

• 稳定性：稳定

• Java代码：

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

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4. 快速排序 (Quick Sort)

• 定义：分治法思想。选取基准元素，将数组分为小于基准和大于基准的两部分，递归排序。

• 时间复杂度：

  • 最好/平均：O(n log n)

  • 最坏：O(n²)（基准选择不当）

• 空间复杂度：O(log n)（递归栈）

• 稳定性：不稳定

• Java代码：

  public void quickSort(int[] arr, int low, int high) {if (low < high) {int pi = partition(arr, low, high);quickSort(arr, low, pi - 1);quickSort(arr, pi + 1, high);}
  }private int partition(int[] arr, int low, int high) {int pivot = arr[high];int i = low - 1;for (int j = low; j < high; j++) {if (arr[j] < pivot) {i++;int temp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = temp;}}int temp = arr[i + 1];arr[i + 1] = arr[high];arr[high] = temp;return i + 1;
  }

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5. 希尔排序 (Shell Sort)

• 定义：改进的插入排序，按增量分组排序，逐渐减小增量至1。

• 时间复杂度：O(n log n) ~ O(n²)（取决于增量序列）

• 空间复杂度：O(1)（原地排序）

• 稳定性：不稳定

• Java代码：

  public void shellSort(int[] arr) {int n = arr.length;for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {for (int i = gap; i < n; i++) {int temp = arr[i];int j = i;while (j >= gap && arr[j - gap] > temp) {arr[j] = arr[j - gap];j -= gap;}arr[j] = temp;}}
  }

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6. 归并排序 (Merge Sort)

• 定义：分治法思想。递归拆分数组为两半，排序后合并。

• 时间复杂度：O(n log n)（所有情况）

• 空间复杂度：O(n)（合并需额外空间）

• 稳定性：稳定

• Java代码：

  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);
  }

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7. 堆排序 (Heap Sort)

• 定义：构建最大堆，将堆顶元素（最大值）与末尾交换，调整堆。

• 时间复杂度：O(n log n)（所有情况）

• 空间复杂度：O(1)（原地排序）

• 稳定性：不稳定

• Java代码：

  public void heapSort(int[] arr) {int n = arr.length;for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) heapify(arr, n, i);for (int i = n - 1; i > 0; i--) {int temp = arr[0];arr[0] = arr[i];arr[i] = temp;heapify(arr, i, 0);}
  }private void heapify(int[] arr, int n, int i) {int largest = i, left = 2 * i + 1, right = 2 * i + 2;if (left < n && arr[left] > arr[largest]) largest = left;if (right < n && arr[right] > arr[largest]) largest = right;if (largest != i) {int swap = arr[i];arr[i] = arr[largest];arr[largest] = swap;heapify(arr, n, largest);}
  }

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8. 计数排序 (Counting Sort)

• 定义：统计元素出现次数，按计数重建有序数组。

• 时间复杂度：O(n + k)（k为数据范围）

• 空间复杂度：O(n + k)（需额外空间）

• 稳定性：稳定（需反向填充）

• 适用场景：整数且范围小

• Java代码：

  public void countingSort(int[] arr) {int max = Arrays.stream(arr).max().getAsInt();int min = Arrays.stream(arr).min().getAsInt();int range = max - min + 1;int[] count = new int[range];int[] output = new int[arr.length];for (int num : arr) count[num - min]++;for (int i = 1; i < range; i++) count[i] += count[i - 1];for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {output[count[arr[i] - min] - 1] = arr[i];count[arr[i] - min]--;}System.arraycopy(output, 0, arr, 0, arr.length);
  }

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9. 桶排序 (Bucket Sort)

• 定义：将数据分到有限数量的桶中，每个桶单独排序（通常用插入排序）。

• 时间复杂度：

  • 最好：O(n)（均匀分布）

  • 平均：O(n + k)（k为桶数）

  • 最坏：O(n²)（所有元素入一个桶）

• 空间复杂度：O(n + k)

• 稳定性：稳定（取决于桶内排序）

• 适用场景：数据均匀分布

• Java代码：

  public void bucketSort(float[] arr) {int n = arr.length;ArrayList<Float>[] buckets = new ArrayList[n];for (int i = 0; i < n; i++) buckets[i] = new ArrayList<>();for (float num : arr) {int idx = (int) (num * n);buckets[idx].add(num);}for (ArrayList<Float> bucket : buckets) Collections.sort(bucket);int idx = 0;for (ArrayList<Float> bucket : buckets) for (float num : bucket) arr[idx++] = num;
  }

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10. 基数排序 (Radix Sort)

• 定义：按位数从低位到高位依次排序（通常用计数排序作为子排序）。

• 时间复杂度：O(d(n + k))（d为最大位数，k为基数）

• 空间复杂度：O(n + k)（需额外空间）

• 稳定性：稳定

• 适用场景：整数或字符串

• Java代码：

  public void radixSort(int[] arr) {int max = Arrays.stream(arr).max().getAsInt();for (int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10) countingSortByDigit(arr, exp);
  }private void countingSortByDigit(int[] arr, int exp) {int n = arr.length;int[] output = new int[n];int[] count = new int[10];for (int num : arr) count[(num / exp) % 10]++;for (int i = 1; i < 10; i++) count[i] += count[i - 1];for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {output[count[(arr[i] / exp) % 10] - 1] = arr[i];count[(arr[i] / exp) % 10]--;}System.arraycopy(output, 0, arr, 0, n);
  }

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十大排序算法对比总结

排序算法	平均时间复杂度	最好情况	最坏情况	空间复杂度	稳定性	适用场景
冒泡排序	O(n²)	O(n)	O(n²)	O(1)	稳定	教学、小数据集
选择排序	O(n²)	O(n²)	O(n²)	O(1)	不稳定	教学、交换成本高的场景
插入排序	O(n²)	O(n)	O(n²)	O(1)	稳定	小数据、基本有序数据
快速排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n²)	O(log n)	不稳定	通用排序（平均性能最优）
希尔排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n²)	O(1)	不稳定	中等规模数据
归并排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n log n)	O(n)	稳定	大数据、外部排序、稳定性要求高
堆排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n log n)	O(1)	不稳定	原地排序、避免最坏情况
计数排序	O(n + k)	O(n + k)	O(n + k)	O(n + k)	稳定	整数且范围小
桶排序	O(n + k)	O(n)	O(n²)	O(n + k)	稳定	数据均匀分布
基数排序	O(d(n + k))	O(d(n + k))	O(d(n + k))	O(n + k)	稳定	整数或字符串（位数固定）

关键总结：

1. 时间复杂度优先：

   • 大规模数据：快速排序（平均O(n log n)）。

   • 避免最坏情况：堆排序（始终O(n log n)）。

   • 稳定且高效：归并排序（O(n log n) + 稳定）。

2. 空间复杂度优先：

   • 原地排序：堆排序、希尔排序（O(1)）。

3. 特殊场景：

   • 小范围整数：计数排序（O(n + k)）。

   • 均匀分布浮点数：桶排序（O(n)）。

   • 多位数整数：基数排序（O(dn)）。

4. 稳定性要求：归并排序、计数排序、桶排序、基数排序。

5. 小规模数据：插入排序（简单且稳定）。

实际建议：

• 通用场景：优先选择 快速排序（库函数常用）。

• 内存敏感：选择 堆排序。

• 稳定性必需：选择 归并排序。

• 特定数据：根据范围/分布选择非比较排序（计数、桶、基数）。