排序算法原理及其实现
1. 冒泡排序（Bubble Sort）
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原理：
它重复地走访要排序的数列，一次比较两个元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换，也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢 “浮” 到数列的顶端。 -
Java 代码示例：
java
public class BubbleSort {
public static 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]) {
// 交换元素
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
bubbleSort(arr);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}
2. 选择排序（Selection Sort）
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原理：
首先在未排序序列中找到最小（大）元素，存放到排序序列的起始位置，然后，再从剩余未排序元素中继续寻找最小（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此类推，直到所有元素均排序完毕。 -
Java 代码示例：
java
public class SelectionSort {
public static void selectionSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
int minIndex = i;
for (int j = i + 1; j < n; j++) {
if (arr[j] < arr[minIndex]) {
minIndex = j;
}
}
// 交换找到的最小元素和当前位置元素
if (minIndex!= i) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[minIndex];
arr[minIndex] = temp;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
selectionSort(arr);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}
3. 插入排序（Insertion Sort）
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原理：
将第一待排序序列第一个元素看做一个有序序列，把第二个元素到最后一个元素当成是未排序序列。从头到尾依次扫描未排序序列，将扫描到的每个元素插入有序序列的适当位置（如果待插入的元素与有序序列中的某个元素相等，则将待插入元素插入到相等元素的后面）。 -
Java 代码示例：
java
public class InsertionSort {
public static 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;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
insertionSort(arr);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}
4. 快速排序（Quick Sort）
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原理：
通过一趟排序将待排记录分割成独立的两部分，其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小，则可分别对这两部分记录继续进行排序，以达到整个序列有序。通常选取第一个元素作为基准元素，然后从数列的两端开始向中间扫描，把比基准小的元素放到基准左边，比基准大的元素放到基准右边，经过这一趟排序后，基准元素就处在它最终排序后的正确位置上了，然后再递归地对左右两部分进行同样的操作。 -
Java 代码示例：
java
public class QuickSort {
public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
if (low < high) {
int pivotIndex = partition(arr, low, high);
quickSort(arr, low, pivotIndex - 1);
quickSort(arr, pivotIndex + 1, high);
}
}
private static int partition(int[] arr, int low, int high) {
int pivot = arr[low];
while (low < high) {
while (low < high && arr[high] >= pivot) {
high--;
}
arr[low] = arr[high];
while (low < high && arr[low] <= pivot) {
low++;
}
arr[high] = arr[low];
}
arr[low] = pivot;
return low;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}
5. 归并排序（Merge Sort）
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原理：
采用分治法（Divide and Conquer）的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。把长度为 n 的输入序列分成两个长度为 n/2 的子序列；对这两个子序列分别采用归并排序；将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。 -
Java 代码示例：
java
public class MergeSort {
public static void mergeSort(int[] arr) {
if (arr.length < 2) {
return;
}
int mid = arr.length / 2;
int[] left = new int[mid];
int[] right = new int[arr.length - mid];
System.arraycopy(arr, 0, left, 0, mid);
System.arraycopy(arr, mid, right, 0, arr.length - mid);
mergeSort(left);
mergeSort(right);
merge(arr, left, right);
}
private static void merge(int[] arr, int[] left, int[] right) {
int i = 0, j = 0, k = 0;
while (i < left.length && j < right.length) {
if (left[i] <= right[j]) {
arr[k++] = left[i++];
} else {
arr[k++] = right[j++];
}
}
while (i < left.length) {
arr[k++] = left[i++];
}
while (j < right.length) {
arr[k++] = right[j++];
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
mergeSort(arr);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}
6. 堆排序（Heap Sort）
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原理：
利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆是一个近似完全二叉树的结构，并同时满足堆属性：即子节点的键值或索引总是小于（或者大于）它的父节点。首先将待排序序列构建成一个堆（一般是大顶堆或小顶堆，大顶堆用于升序排序，小顶堆用于降序排序），然后将堆顶元素与末尾元素交换，再对剩下的元素重新调整为堆，重复此过程，直到整个序列有序。 -
Java 代码示例：
java
public class HeapSort {
public static void heapSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
// 构建大顶堆
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
heapify(arr, n, i);
}
// 逐个取出堆顶元素并调整堆
for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
int temp = arr[0];
arr[0] = arr[i];
arr[i] = temp;
heapify(arr, i, 0);
}
}
private static void heapify(int[] arr, int n, int i) {
int largest = i;
int left = 2 * i + 1;
int 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);
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
heapSort(arr);
for (int num : arr) {
System.out.print(num + " ");
}
}
}