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Yudong Jin
2023-03-26 22:02:37 +08:00
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# 计数排序
前面介绍的几种排序算法都属于 **基于比较的排序算法**,即通过比较元素之间的大小来实现排序,此类排序算法的时间复杂度无法超越 $O(n \log n)$ 。接下来,我们将学习一种 **非比较排序算法** ,名为「计数排序 Counting Sort」,其时间复杂度可以达到 $O(n)$
顾名思义,「计数排序 Counting Sort」通过统计元素数量来实现排序,一般应用于整数数组
## 简单实现
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2. **借助 `counter` 统计 `nums` 中各数字的出现次数**,其中 `counter[num]` 对应数字 `num` 的出现次数。统计方法很简单,只需遍历 `nums` (设当前数字为 `num`),每轮将 `counter[num]` 自增 $1$ 即可。
3. **由于 `counter` 的各个索引是天然有序的,因此相当于所有数字已经被排序好了**。接下来,我们遍历 `counter` ,根据各数字的出现次数,将各数字按从小到大的顺序填入 `nums` 即可。
观察发现,计数排序名副其实,是通过“统计元素数量”来实现排序的。
![计数排序流程](counting_sort.assets/counting_sort_overview.png)
=== "Java"
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[class]{}-[func]{countingSortNaive}
```
!!! note "计数排序与桶排序的联系"
从桶排序的角度看,我们可以把计数排序中计数数组 `counter` 的每个索引想象成一个桶,将统计数量的过程想象成把各个元素分配到对应的桶中。本质上,计数排序是桶排序在整型数据下的一个特例。
## 完整实现
细心的同学可能发现,**如果输入数据是对象,上述步骤 `3.` 就失效了**。例如输入数据是商品对象,我们想要按照商品价格(类的成员变量)对商品进行排序,而上述算法只能给出价格的排序结果。
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**时间复杂度 $O(n + m)$** :涉及遍历 `nums` 和遍历 `counter` ,都使用线性时间。一般情况下 $n \gg m$ ,此时使用线性 $O(n)$ 时间。
**空间复杂度 $O(n + m)$** :借助了长度分别为 $n$ , $m$ 的数组 `res` 和 `counter` ,是“非原地排序”
**空间复杂度 $O(n + m)$** :借助了长度分别为 $n$ , $m$ 的数组 `res` 和 `counter` ,是“非原地排序”
**稳定排序**:由于向 `res` 中填充元素的顺序是“从右向左”的,因此倒序遍历 `nums` 可以避免改变相等元素之间的相对位置,从而实现“稳定排序”;其实正序遍历 `nums` 也可以得到正确的排序结果,但结果“非稳定”。
@@ -191,4 +193,4 @@ $$
**计数排序只适用于非负整数**。若想要用在其他类型数据上,则要求该数据必须可以被转化为非负整数,并且不能改变各个元素之间的相对大小关系。例如,对于包含负数的整数数组,可以先给所有数字加上一个常数,将全部数字转化为正数,排序完成后再转换回去即可。
**计数排序适用于数据范围不大的情况**。比如,上述示例中 $m$ 不能太大,否则占用空间太多;而当 $n \ll m$ 时,计数排序使用 $O(m)$ 时间,有可能比 $O(n \log n)$ 的排序算法还要慢。
**计数排序适用于数据量大但数据范围不大的情况**。比如,上述示例中 $m$ 不能太大,否则占用空间太多;而当 $n \ll m$ 时,计数排序使用 $O(m)$ 时间,有可能比 $O(n \log n)$ 的排序算法还要慢。