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# 11.8.   基数排序
介绍计数排序适用于数据量 $n$ 大但数据范围 $m$ 不大的情况。假设需要排序 $n = 10^6$ 个学号数据,学号是 $8$ 位数字,那么数据范围 $m = 10^8$ 大,使用计数排序需要开辟巨大的内存空间,而基数排序可以避免这种情况。
一节我们介绍计数排序,它适用于数据量 $n$ 大但数据范围 $m$ 较小的情况。假设我们需要对 $n = 10^6$ 个学号进行排序,而学号是一个 $8$ 位数字,这意味着数据范围 $m = 10^8$ 非常大,使用计数排序需要分配大量内存空间,而基数排序可以避免这种情况。
「基数排序 Radix Sort」主体思路与计数排序一致,也通过统计出现次数实现排序,**并在此基础上利用位与位之间的递进关系,依次对每一位行排序**,从而得排序结果。
「基数排序 Radix Sort」的核心思想与计数排序一致,也通过统计个数来实现排序。在此基础上,基数排序利用数字各位之间的递进关系,依次对每一位行排序**,从而得到最终的排序结果。
## 11.8.1.   算法流程
上述的学号数据为例,设数字最低位第 $1$ 位最高位第 $8$ 位,基数排序的流程为
以学号数据为例,设数字最低位第 $1$ 位最高位第 $8$ 位,基数排序的步骤如下
1. 初始化位数 $k = 1$
2. 对学号的第 $k$ 位执行「计数排序」完成后,数据即按照第 $k$ 位从小到大排序;
3. 将 $k$ 增 $1$ 并返回第 `2.` 继续迭代,直至排序完所有位后结束;
2. 对学号的第 $k$ 位执行「计数排序」完成后,数据会根据第 $k$ 位从小到大排序;
3. 将 $k$ 增 $1$ 然后返回步骤 `2.` 继续迭代,直到所有位都排序完成后结束;
![基数排序算法流程](radix_sort.assets/radix_sort_overview.png)
<p align="center"> Fig. 基数排序算法流程 </p>
下面来剖析代码实现。对于一个 $d$ 进制的数字 $x$ ,其第 $k$ 位 $x_k$ 计算公式
下面来剖析代码实现。对于一个 $d$ 进制的数字 $x$ ,要获取其第 $k$ 位 $x_k$ ,可以使用以下计算公式
$$
x_k = \lfloor\frac{x}{d^{k-1}}\rfloor \mod d
$$
其中 $\lfloor a \rfloor$ 表对浮点数 $a$ 执行向下取整,$\mod d$ 表对 $d$ 取余。学号数据$d = 10$ , $k \in [1, 8]$ 。
其中 $\lfloor a \rfloor$ 表对浮点数 $a$ 向下取整,$\mod d$ 表对 $d$ 取余。对于学号数据$d = 10$ $k \in [1, 8]$ 。
此外,我们需要小幅改动计数排序代码,使之可以根据数字第 $k$ 位行排序。
此外,我们需要小幅改动计数排序代码,使之可以根据数字第 $k$ 位行排序。
=== "Java"
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!!! question "为什么从最低位开始排序?"
对于先后两轮排序,第二轮排序可能会覆盖一轮排序的结果,比如第一轮认为 $a < b$ ,而第二轮认为 $a > b$ 第二轮取代第一轮的结果。由于数字高位比低位的优先级更高,所以要先排序低位再排序高位。
在连续的排序轮次中,后一轮排序会覆盖一轮排序的结果。举例来说,如果第一轮排序结果 $a < b$ ,而第二轮排序结果 $a > b$ 那么第二轮的结果将取代第一轮的结果。由于数字高位优先级高于低位,我们应该先排序低位再排序高位。
## 11.8.2. &nbsp; 算法特性
**时间复杂度 $O(n k)$** :设数据量为 $n$ 、数据为 $d$ 进制、最大为 $k$ ,则对某一位执行计数排序使用 $O(n + d)$ 时间,排序 $k$ 位使用 $O((n + d)k)$ 时间;一般情况下 $d$ 和 $k$ 都较小,此时时间复杂度近似为 $O(n)$ 。
**时间复杂度 $O(nk)$** :设数据量为 $n$ 、数据为 $d$ 进制、最大位数为 $k$ ,则对某一位执行计数排序使用 $O(n + d)$ 时间,排序所有 $k$ 位使用 $O((n + d)k)$ 时间。通常情况下$d$ 和 $k$ 都相对较小,时间复杂度趋向 $O(n)$ 。
**空间复杂度 $O(n + d)$** :与计数排序一样,借助长度分别为 $n$ , $d$ 的数组 `res` 和 `counter` ,因此“非原地排序”。
**空间复杂度 $O(n + d)$** :与计数排序相同,基数排序需要借助长度为 $n$ $d$ 的数组 `res` 和 `counter` ,因此它是一种“非原地排序”。
与计数排序一致,基数排序也是稳定排序。相于计数排序,基数排序适用于数值范围较大的情况,**但前提是数据必须可以表示为固定位数的格式,且位数不能大**。比如浮点数不适合使用基数排序,因为其位数 $k$ 大,可能时间复杂度 $O(nk) \gg O(n^2)$ 。
基数排序与计数排序一样,都属于稳定排序。相于计数排序,基数排序适用于数值范围较大的情况,**但前提是数据必须可以表示为固定位数的格式,且位数不能大**。例如,浮点数不适合使用基数排序,因为其位数 $k$ 大,可能导致时间复杂度 $O(nk) \gg O(n^2)$ 。