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排序算法是计算机科学中最基本、最重要的算法之一。排序算法的目的是将一组数据按照某种顺序进行排列，以便于后续的查找、统计和分析。在Java中，排序算法的实现非常丰富，涵盖了从简单的冒泡排序到复杂的快速排序等多种算法。本文将详细介绍Java中十大排序算法的实现，包括它们的原理、代码实现以及性能分析。
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，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。遍历列表的工作是重复进行的，直到没有再需要交换的元素，也就是说列表已经排序完成。
public class BubbleSort {
public static void bubbleSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
boolean swapped;
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
swapped = false;
for (int j = 0; j < n - 1 - i; 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;
swapped = true;
}
}
// 如果没有发生交换，说明数组已经有序，提前退出
if (!swapped) {
break;
}
}
}
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--;
}
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 + " ");
}
}
}
希尔排序是插入排序的一种更高效的改进版本。它通过将原始列表分割成若干子列表来进行排序，每个子列表使用插入排序。希尔排序的核心思想是使数组中任意间隔为h的元素都是有序的。
public class ShellSort {
public static void shellSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {
for (int i = gap; i < n; i++) {
int temp = arr[i];
int j;
for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap) {
arr[j] = arr[j - gap];
}
arr[j] = temp;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {12, 34, 54, 2, 3};
shellSort(arr);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
归并排序是一种分治算法。它将原始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 + " ");
}
}
}
快速排序是一种分治算法。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 + " ");
}
}
}
堆排序是一种基于二叉堆数据结构的排序算法。它首先将数组构建成一个最大堆（或最小堆），然后将堆顶元素与最后一个元素交换，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;
// 构建最大堆
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
heapify(arr, n, i);
}
// 逐个提取元素
for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
// 交换堆顶元素和当前最后一个元素
int temp = arr[0];
arr[0] = arr[i];
arr[i] = temp;
// 调整堆
heapify(arr, i, 0);
}
}
private static void heapify(int[] arr, int n, int i) {
int largest = i; // 初始化最大值为根节点
int left = 2 * i + 1; // 左子节点
int right = 2 * i + 2; // 右子节点
// 如果左子节点大于根节点
if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
largest = left;
}
// 如果右子节点大于当前最大值
if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
largest = right;
}
// 如果最大值不是根节点
if (largest != i) {
int swap = arr[i];
arr[i] = arr[largest];
arr[largest] = swap;
// 递归调整受影响的子树
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 + " ");
}
}
}
计数排序是一种非比较排序算法，适用于整数排序。它通过统计每个元素的出现次数，然后根据统计结果将元素放回原数组中的正确位置。
public class CountingSort {
public static void countingSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
int max = Arrays.stream(arr).max().getAsInt();
int min = Arrays.stream(arr).min().getAsInt();
int range = max - min + 1;
int[] count = new int[range];
int[] output = new int[n];
// 统计每个元素的出现次数
for (int i = 0; i < n; i++) {
count[arr[i] - min]++;
}
// 计算每个元素的最终位置
for (int i = 1; i < range; i++) {
count[i] += count[i - 1];
}
// 将元素放入输出数组
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
output[count[arr[i] - min] - 1] = arr[i];
count[arr[i] - min]--;
}
// 将排序后的数组复制回原数组
for (int i = 0; i < n; i++) {
arr[i] = output[i];
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {4, 2, 2, 8, 3, 3, 1};
countingSort(arr);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
桶排序是一种分布式排序算法。它将数组分到有限数量的桶中，每个桶再分别排序（可以使用其他排序算法或递归地使用桶排序），最后将各个桶中的数据合并。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
public class BucketSort {
public static void bucketSort(int[] arr, int bucketSize) {
if (arr.length == 0) {
return;
}
int minValue = arr[0];
int maxValue = arr[0];
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] < minValue) {
minValue = arr[i];
} else if (arr[i] > maxValue) {
maxValue = arr[i];
}
}
int bucketCount = (maxValue - minValue) / bucketSize + 1;
ArrayList<ArrayList<Integer>> buckets = new ArrayList<>(bucketCount);
for (int i = 0; i < bucketCount; i++) {
buckets.add(new ArrayList<>());
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
int bucketIndex = (arr[i] - minValue) / bucketSize;
buckets.get(bucketIndex).add(arr[i]);
}
int currentIndex = 0;
for (int i = 0; i < buckets.size(); i++) {
ArrayList<Integer> bucket = buckets.get(i);
Collections.sort(bucket);
for (int j = 0; j < bucket.size(); j++) {
arr[currentIndex++] = bucket.get(j);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {29, 25, 3, 49, 9, 37, 21, 43};
bucketSort(arr, 10);
System.out.println("排序后的数组:");
for (int i : arr) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
基数排序是一种非比较排序算法。它通过将整数按位数切割成不同的数字，然后按每个位数分别比较。基数排序可以采用最低位优先（LSD）或最高位优先（MSD）的方式。
”`java import java.util.Arrays;
public class RadixSort { public static void radixSort(int[] arr) { int max = Arrays.stream(arr).max().getAsInt(); for (int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10) { countingSortByDigit(arr, exp); } }
private static void countingSortByDigit(int[] arr, int exp) {
int n = arr.length;
int[] output = new int[n];
int[] count = new int[10];
// 统计每个数字的出现次数
for (int i = 0; i < n; i++) {
int digit = (arr[i] / exp) % 10;
count[digit]++;
}
// 计算每个数字的最终位置
for (int i = 1; i < 10; i++) {
count[i] += count[i - 1];
}
// 将元素放入输出数组
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
int digit = (arr[i] / exp) % 10
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