Способы сортировки массива java

В прошлом уроке мы познакомились с одномерными массивами в Java. Одной из частых задач на работу с массивами является сортировка массива. Сортировкой массива называется процесс упорядочивания элементов массива по возрастанию или по убыванию. В этом уроке мы рассмотрим некоторые способы сортировки и алгоритмы.

Если тема для вас новая, и вы еще не знакомы с алгоритмами сортировки, то наверняка при решении задачи «Отсортировать массив по возрастанию» первое что придет в голову, это перебор, то есть: найти минимальный элемент и поменять его местами с начальным, потом, в оставшейся части массива (кроме первого элемента), найти снова минимальный элемент и поменять его со вторым элементом и т.д. Такой алгоритм называется Сортировка выбором. Рассмотрим его подробнее.

Сортировка выбором (Selection sort) в Java.

Реализация алгоритма Сортировка выбором на Java:

Еще одним достаточно простым и известным способом сортировки является Сортировка пузырьком.

Сортировка пузырьком (Bubble sort) в Java.

Алгоритм проходит массив от начала и до конца, сравнивая попарно соседние элементы, Если элементы стоят в неправильном порядке, то они меняются местами, таким образом, после первого прохода на конце массива оказывается максимальный элемент (для сортировки по возрастанию). Затем проход массива повторяется, и на предпоследнем месте оказывается другой наибольший после максимального элемент и т.д. В итоге, наименьший элемент постепенно перемещается к началу массива («всплывает» до нужной позиции как пузырёк в воде).

Реализация алгоритма Сортировка пузырьком на Java (по возрастанию):

Следующие 2 видео наглядно демонстрируют работу алгоритмов сортировки пузырьком и выбором.

Рассмотрим примеры того, как можно воспользоваться выше приведенными алгоритмами.
Для начала создадим массив. Это можно сделать так:

Или мы можем создать массив случайных чисел

Затем воспользуемся вышеприведенными алгоритмами сортировки

Важно понимать, что сортировки выбором и пузырьком являются простыми, но неэффективными для больших массивов. Эти алгоритмы являются скорее учебными и практически не применяются в жизни. Вместо них используются более эффективные алгоритмы. Подробнее о разных алгоритмах можно прочитать, например, на википедии.

В наше время нет необходимости самостоятельно реализовывать алгоритмы для сортировки, поскольку все что нам нужно, уже имеется в стандартных библиотеках Java.

Сортировка массива при помощи метода sort() из класса Arrays.

Метод sort() из класса Arrays использует усовершенствованный алгоритм Быстрой сортировки (Quicksort), который эффективен в большинстве случаев. Для того чтобы отсортировать массив, необходимо написать всего одну строку.

Примечание: в начале файла предварительно нужно подключить библиотеку java.util.

Сортировка массива целых чисел по возрастанию:

Сортировка массива целых чисел по убыванию:

Обратите внимание, что при сортировке массива в обратном порядке (по убыванию) нужно использовать тип Integer[] вместо примитивного типа int[].

Сортировка массива строк в Java:

В этом примере массив имен сортируется в порядке от А до Я. Для того чтобы отсортировать массив в обратном порядке, необходимо в методе sort() указать Collections.reverseOrder().

К сожалению, по умолчанию метод sort() сортирует только примитивные типы данных и строки. Как сортировать массив из собственно созданных объектов, будет рассмотрено в следующих уроках, поскольку это требует более углубленных знаний.

Источник

WebEx

Блог Александра Богомолова

Топ 10 алгоритмов сотрировки в Java

Алгоритмы сортировки это алгоритмы которые вставляют элементы в список в определенном порядке.
Наиболее используемые это числовая и лексикографическая сортировки.
Класс Arrays в Java Collections содержит перегруженный метод sort() для сортировки примитивных типов данных и объектов.

Аналогично мы можем отсортировать коллекцию используя метод Collections.sort().
Но если нам надо отсортировать данные без использования библиотечных методов, мы можем использовать популярные алгоритмы сортировки реализованные на Java.

Простая сортировка

Сортировка выбором

Сортировка выбором представляет собой механизм сортировки, который начинается с поиска наименьшего элемента в массиве и размешение его первым.
Затем находится второй наименьший элемент и размещается вторым, и так до тех пор пока весь массив не отсортируется.

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Сортировка вставкой

Алгоритм сортировки вставкой просматривает данные в виде двух половинок.
Левая половина отсортированных элементов, правая которые нужно отсортировать.
В каждой итерации, один элемент из правой половины берется и добавляется в левую половину так, что левая половина по-прежнему остается отсортированной.
Сортировка вставкой сортирует за время О(n²)

Ввод: int[] elements = < 3, 2, 5, 7, 1,9>;

Вывод: 1 2 3 5 7 9

Но что если нам надо отсортировать массив строк?
Мы можем изменить логику сравнения в цикле и использовать метод compareTo(). Этот метод может принимать любой массив элементов реализующих интерфейс Comparable.

Вывод: Com, Dot, Http, Java, Top, Tutorial

Эффективная сортировка

Пирамидальная сортировка (англ. Heapsort, «Сортировка кучей»)

Пирамидальная сортировка является методом сортировки, который интерпретирует элементы в массиве, как почти полное бинарное дерево.
Она берет элементы массива и вставляет их в пирамиду.
После построения пирамиды, из нее по очереди удаляются наибольшие элементы и вставляются в конец массива, где и находятся в отсортированном виде.
Общее время сортировки расчитывается по O(N logN) для N элементов.

Вывод: 2 12 15 16 23 27 34 45 53 56 78 91

Сортировка слиянием

Сортировка слияние один из наиболее популярных алгоритмов в Java так как использует наименьшее количество сравнений.
Сортировка слиянием используется в стандартных Java библиотеках для сортировки generic.
Идеей сортировки слиянием является то, что происходит слияние двух отсортированных списков.
Сортировка слиянием занимает O(nlogn).

Высокоуровневое представление о сортировке слиянием:

Сортировка слиянием в Java:

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Быстрая сортировка

Быстрая сортировка это алгоритм быстрой сортировки. Его среднее время O(N logN), наихудшее O(N²).

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Пузырьковая сортировка и варианты

Пузырьковая сортировка в Java

Пузырьковая сортировка следует простой логике. Она сравнивает соседние элементы и меняет местами если они не отсортированы.
Пузырьковая сортировка названа таким образом потому, что в этом способе сортировки, меньшие элементы постепенно всплывают в верхнюю часть списка.
Пузырьковая сортировка имеет среднее и наихудшее время равное О(n²), где n количество элементов которое нужно отсортировать.

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Сортировка методом Шелла

Дональд Шелл опубликовал первую версию этой сортировки, отсюда и название.
Эта сортировка является обобщением сортировки вставкой, что позволяет осуществлять обмен элеметов, которые находятся далеко друг от друга.
Она начинается, сравнивая элементы, которые далеки друг от друга, и постепенно уменьшает растояние между сравниваемыми элементами.
Время работы меняется в зависимости от последовательности промежутков используемых для сортировки элементов.

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Распределенная сортировка

Блочная сортировка (bucket sort)

Алгоритм блочной сортировки распределяет элементы массива в некоторое число блоков. Это сортировка без сравнения.

Работает блочная сортировка следующим образом:

создается массив пустых инициализированных блоков;
программа обходит оригинальный массив и вставляет каждый элемент в блок;
каждый блок имеющий по крайней мере один элемент сортируется;
все элементы вставляются назад в оригинальный массив.

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Поразрядная сортировка (radix sort)

Алгоритм поразрядной сортировки сортирует данные с целыми ключами, группируя ключи по индивидуальным цифрам, которые имеют ту же самую позицию и значение.
Вместо непосредственного применяемого блочной сортировкой множества элементов, эта выполняет блочную сортировку множества цифр.

Есть два основных типа поразрядной сортировки:

LSD поразрядная сортировка — сортировка начинается с младшего разряда (LSD), и продолжается до наиболее значимой цифры (MSD);
MSD поразрядная сортировка — сортировка начинается с наибольшего разряда (MSD), и продолжается до наименьшей значимой цифры (LSD).

Вывод: 2 3 23 24 44 45 66 75 90 170 232 234 802

Сортировка подсчетом

Алгоритм перебора элементов, вычисляющий количество раз когда каждый ключ встречается в пределах массива.
Тогда для каждого ключа, определяется начальная позиция в выходном массиве элементов, имеющем этот ключ.
Время работы линейно по количеству элементов, зависит от разницы между максимальным и минимальным значениями ключа.

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Источник

Arrays, Collections: Алгоритмический минимум

Массивы и списки

Недавно на собеседовании в крупную компанию на должность Java разработчика меня попросили реализовать стандартный алгоритм сортировки. Поскольку я никогда не реализовывал самописные алгоритмы сортировки, а пользовался всегда готовыми решениями, у меня возникли затруднения с реализацией. После собеседования я решил разобраться в вопросе и подготовить список основных алгоритмов сортировки и поиска, которые используются в стандартном пакете java — Java Collections Framework (JCF). Для этого я изучил исходники Oracle JDK 7.80 (UPD: добавлена ссылка).

В самом обобщенном виде результат изучения представлен на рисунке. Подробности — в основном тексте.

Рисунок 1. Методы Arrays, Collections и реализуемые ими алгоритмы

Первое, что поразило меня в алгоритмах, реализованных в Arrays и Collections — то, что их можно буквально по пальцам пересчитать — по большому счету, это два алгоритма сортировки и один алгоритм поиска.

Второе — то, что сортировка списков «под капотом» использует сортировку массивов.

Третье — то, что один из алгоритмов сортировки портирован с python.

Алгоритм быстрой сортировки с двумя опорными элементами разработан нашим соотечественником Владимиром Ярославским и реализован при содействии Джона Бентли и Джошуа Блоха.

Алгоритм сортировки слиянием, который является основным для сортировки массивов ссылочных типов, буквально назван по имени своего создателя Tim Peters — TimSort. Этот алгоритм был адаптирован Джошуа Блохом с алгоритма сортировки списков, реализованном на python Тимом Петерсом.

Кратко излагая результаты, стоит отметить, что:

Можно условно выделить три слоя методов:
- Методы API
- Методы базовых (основных) алгоритмов
- Методы (блоки) дополнительных алгоритмов
Основных алгоритмов используется три. Два алгоритма сортировки: быстрая сортировка, сортировка слиянием. Один алгоритм поиска: бинарный поиск.
Для оптимизации «основные» алгоритмы заменяются на более подходящие в данный момент “дополнительные” алгоритмы (полный список алгоритмов и условий переключения приведен в конце)
Для определения того, какой из «дополнительных» алгоритмов будет задействован, могут использоваться:
- сигнатуры методов (типы аргументов, булевы переменные)
- флаги VM
- пороговые значения длины массива/списка, хранящиеся в приватных переменных классов

В пакете util для работы с массивами и коллекциями предназначены классы Arrays и Collections соответственно. Как основной сервис, они предоставляют методы для сортировки и поиска. Для совместимости API Collections и API Arrays унифицированы. Пользователю предоставляются статические перегруженные методы sort и binarySearch. Разница заключается в том, что методы Arrays API принимают массивы примитивных и ссылочных типов, в то время как методы sort и binarySearch Collections API принимают только списки.

Итак, для того, чтобы выяснить, какие основные и дополнительные алгоритмы используются в пакете util, нужно разобрать реализацию 4-х методов из API Collections и API Arrays.

Таблица 1. API Arrays vs API Collections

Метод	Arrays API	Collections API
Sort method	Arrays.sort	Collections.sort
Search method	Arrays.binarySearch	Collections.binarySearch

Arrays.sort

Массивы примитивных типов

Основной алгоритм сортировки для массивов примитивных типов в Arrays — быстрая сортировка. Для реализации этой сортировки выделен финальный класс DualPivotQuickSort, который предоставляет публичные методы sort для сортировки массивов всех примитивных типов данных. Методы Arrays API вызывают эти методы и пробрасывают в них ссылку на массив. Если требуется отсортировать определенный диапазон массива, то передаются еще и индексы начала и конца диапазона.

Временная сложность алгоритма быстрой сортировки в лучшем случае и в среднем случае составляет O(n log n). В некоторых случаях (например, на малых массивах) алгоритм быстрой сортировки обладает не лучшей производительностью, деградирует до квадратичной сложности. Поэтому имеет смысл вместо него применять другие алгоритмы, которые в общем случае проигрывают, но в конкретных случаях могут дать выигрыш. В качестве дополнительных алгоритмов были выбраны сортировка вставками, “обычная” быстрая сортировка (с одной опорной точкой), сортировка подсчетом.

Инженеры Oracle эмпирическим путем вычислили оптимальные размерности массивов для задействования каждого дополнительного алгоритма сортировки. Эти значения записаны в приватных полях класса DualPivotQuickSort. Для наглядности я свел их в таблицу 2.

Источник