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在计算机科学中，排序和查找是最基本且常见的操作。排序算法用于将一组数据按照特定的顺序排列，而查找算法则用于在数据集中快速定位特定的元素。Java作为一种广泛使用的编程语言，提供了丰富的API和工具来实现各种排序和查找算法。本文将详细介绍Java中常见的排序算法、查找算法以及如何实现自定义的排序规则。
冒泡排序是一种简单的排序算法，它重复地遍历要排序的列表，比较相邻的元素并交换它们的位置，直到整个列表有序。
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arr[j]和arr[j+1]
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);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
选择排序是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是每次从待排序的数据元素中选出最小（或最大）的一个元素，存放在序列的起始位置，直到全部待排序的数据元素排完。
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arr[i]和arr[minIndex]
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[minIndex];
arr[minIndex] = temp;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {64, 25, 12, 22, 11};
selectionSort(arr);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
插入排序是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列，对于未排序数据，在已排序序列中从后向前扫描，找到相应位置并插入。
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 = j - 1;
}
arr[j + 1] = key;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {12, 11, 13, 5, 6};
insertionSort(arr);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
快速排序是一种高效的排序算法，采用分治法策略。它通过选择一个“基准”元素，将数组分为两部分，一部分比基准小，另一部分比基准大，然后递归地对这两部分进行排序。
public class QuickSort {
public static 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 static 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;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {10, 7, 8, 9, 1, 5};
quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
归并排序是一种稳定的排序算法，采用分治法策略。它将数组分成两个子数组，分别对这两个子数组进行排序，然后将排序后的子数组合并成一个有序的数组。
public class MergeSort {
public static 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 static void merge(int[] arr, int left, int mid, int right) {
int n1 = mid - left + 1;
int n2 = right - mid;
int[] L = new int[n1];
int[] R = new int[n2];
for (int i = 0; i < n1; i++) {
L[i] = arr[left + i];
}
for (int j = 0; j < n2; j++) {
R[j] = arr[mid + 1 + j];
}
int i = 0, j = 0;
int k = left;
while (i < n1 && j < n2) {
if (L[i] <= R[j]) {
arr[k] = L[i];
i++;
} else {
arr[k] = R[j];
j++;
}
k++;
}
while (i < n1) {
arr[k] = L[i];
i++;
k++;
}
while (j < n2) {
arr[k] = R[j];
j++;
k++;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {12, 11, 13, 5, 6, 7};
mergeSort(arr, 0, arr.length - 1);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
堆排序是一种基于二叉堆的排序算法。它首先将数组构建成一个最大堆，然后将堆顶元素（最大值）与数组末尾元素交换，再调整堆结构，重复这个过程直到整个数组有序。
public class HeapSort {
public static 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 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 = {12, 11, 13, 5, 6, 7};
heapSort(arr);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
线性查找是一种简单的查找算法，它从数组的第一个元素开始，逐个检查每个元素，直到找到目标元素或遍历完整个数组。
public class LinearSearch {
public static int linearSearch(int[] arr, int target) {
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] == target) {
return i;
}
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {10, 20, 30, 40, 50};
int target = 30;
int result = linearSearch(arr, target);
if (result == -1) {
System.out.println("元素不在数组中");
} else {
System.out.println("元素在数组中的索引: " + result);
}
}
}
二分查找是一种高效的查找算法，适用于已排序的数组。它通过将数组分成两半，逐步缩小查找范围，直到找到目标元素或确定目标元素不存在。
public class BinarySearch {
public static int binarySearch(int[] arr, int target) {
int left = 0;
int right = arr.length - 1;
while (left <= right) {
int mid = left + (right - left) / 2;
if (arr[mid] == target) {
return mid;
}
if (arr[mid] < target) {
left = mid + 1;
} else {
right = mid - 1;
}
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {10, 20, 30, 40, 50};
int target = 30;
int result = binarySearch(arr, target);
if (result == -1) {
System.out.println("元素不在数组中");
} else {
System.out.println("元素在数组中的索引: " + result);
}
}
}
插值查找是二分查找的改进版本，适用于均匀分布的数组。它通过插值公式来预测目标元素的位置，从而减少查找次数。
public class InterpolationSearch {
public static int interpolationSearch(int[] arr, int target) {
int left = 0;
int right = arr.length - 1;
while (left <= right && target >= arr[left] && target <= arr[right]) {
int pos = left + ((target - arr[left]) * (right - left)) / (arr[right] - arr[left]);
if (arr[pos] == target) {
return pos;
}
if (arr[pos] < target) {
left = pos + 1;
} else {
right = pos - 1;
}
}
return -1;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {10, 20, 30, 40, 50};
int target = 30;
int result = interpolationSearch(arr, target);
if (result == -1) {
System.out.println("元素不在数组中");
} else {
System.out.println("元素在数组中的索引: " + result);
}
}
}
哈希查找是一种基于哈希表的查找算法。它通过哈希函数将键映射到哈希表中的位置，从而实现快速查找。
import java.util.HashMap;
public class HashSearch {
public static void main(String[] args) {
HashMap<Integer, String> map = new HashMap<>();
map.put(1, "Apple");
map.put(2, "Banana");
map.put(3, "Cherry");
int target = 2;
if (map.containsKey(target)) {
System.out.println("找到元素: " + map.get(target));
} else {
System.out.println("元素不在哈希表中");
}
}
}
Java中的Comparable接口允许对象进行自然排序。实现Comparable接口的类可以通过compareTo方法定义对象的自然顺序。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
class Person implements Comparable<Person> {
private String name;
private int age;
public Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public int compareTo(Person other) {
return this.age - other.age;
}
@Override
public String toString() {
return name + " (" + age + ")";
}
}
public class NaturalSort {
public static void main(String[] args) {
List<Person> people = new ArrayList<>();
people.add(new Person("Alice", 30));
people.add(new Person("Bob", 25));
people.add(new Person("Charlie", 35));
Collections.sort(people);
for (Person person : people) {
System.out.println(person);
}
}
}
Java中的Comparator接口允许定义自定义的排序规则。通过实现Comparator接口，可以在不修改类的情况下定义多种排序方式。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;
class Person {
private String name;
private int age;
public Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getAge() {
return age;
}
@Override
public String toString() {
return name + " (" + age + ")";
}
}
public class CustomSort {
public static void main(String[] args) {
List<Person> people = new ArrayList<>();
people.add(new Person("Alice", 30));
people.add(new Person("Bob", 25));
people.add(new Person("Charlie", 35));
Collections.sort(people, new Comparator<Person>() {
@Override
public int compare(Person p1, Person p2) {
return p1.getName().compareTo(p2.getName());
}
});
for (Person person : people) {
System.out.println(person);
}
}
}
本文详细介绍了Java中常见的排序算法和查找算法，包括冒泡排序、选择排序、插入排序、快速排序、归并排序、堆排序、线性查找、二分查找、插值查找和哈希查找。此外，还介绍了如何通过Comparable和Comparator接口实现自然排序和自定义排序。掌握这些算法和排序规则对于编写高效、可维护的Java程序至关重要。希望本文能为读者提供有价值的参考和帮助。
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