Java 中常用的排序算法

Java 中常用的排序算法有很多，每种算法的时间复杂度和适用场景都不同。以下是几种常见的排序算法及其 Java 实现和讲解：

1. 冒泡排序 (Bubble Sort)

算法思路：

重复地遍历数组，每次比较相邻两个元素。如果前一个比后一个大，则交换它们。
每一轮遍历结束后，当前最大值会移动到最后。重复这个过程，直到整个数组有序。

时间复杂度：O(n²)

代码实现：

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 - i - 1; j++) {if (arr[j] > arr[j + 1]) {// 交换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if (!swapped) break;}}
}

2. 选择排序 (Selection Sort)

算法思路：

每次遍历数组，找到当前未排序部分的最小元素，将其与未排序部分的第一个元素交换。
这样每次遍历结束后，最小值就放到了正确的位置，逐步缩小未排序部分。

时间复杂度：O(n²)

代码实现：

public class SelectionSort {public static void selectionSort(int[] arr) {int n = arr.length;for (int i = 0; i < n - 1; i++) {// 找到最小元素int minIdx = i;for (int j = i + 1; j < n; j++) {if (arr[j] < arr[minIdx]) {minIdx = j;}}// 交换int temp = arr[minIdx];arr[minIdx] = arr[i];arr[i] = temp;}}
}

3. 插入排序 (Insertion Sort)

算法思路：

将数组分为已排序和未排序两部分。每次从未排序部分取出一个元素，将其插入到已排序部分的适当位置。
类似于打扑克牌时整理手中的牌。

时间复杂度：O(n²)

代码实现：

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;// 将比 key 大的元素向右移动while (j >= 0 && arr[j] > key) {arr[j + 1] = arr[j];j--;}arr[j + 1] = key;}}
}

4. 快速排序 (Quick Sort)

算法思路：

选择一个"基准"元素，通常选择数组中的最后一个元素。
将数组划分为两部分，一部分比基准小，另一部分比基准大。然后对两部分分别递归进行排序。

时间复杂度：

平均：O(n log n)
最坏：O(n²)

代码实现：

public class QuickSort {public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {if (low < high) {// 找到分区点int pivotIndex = partition(arr, low, high);// 递归排序左右部分quickSort(arr, low, pivotIndex - 1);quickSort(arr, pivotIndex + 1, high);}}private static int partition(int[] arr, int low, int high) {int pivot = arr[high]; // 选择最后一个元素为基准int i = low - 1;  // i 指向小于 pivot 的最后一个元素for (int j = low; j < high; j++) {if (arr[j] < pivot) {i++;// 交换 arr[i] 和 arr[j]int temp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = temp;}}// 交换 pivot 到正确的位置int temp = arr[i + 1];arr[i + 1] = arr[high];arr[high] = temp;return i + 1;}
}

5. 归并排序 (Merge Sort)

算法思路：

将数组递归地分成两部分，直到每部分只剩一个元素。
然后合并这些小数组，使它们有序。

时间复杂度：O(n log n)

代码实现：

public class MergeSort {public static void mergeSort(int[] arr, int left, int right) {if (left < right) {int mid = (left + right) / 2;// 递归分割左边部分mergeSort(arr, left, mid);// 递归分割右边部分mergeSort(arr, mid + 1, right);// 合并两个有序部分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];// 复制数据到临时数组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, k = left;// 合并 L 和 R 数组while (i < n1 && j < n2) {if (L[i] <= R[j]) {arr[k] = L[i];i++;} else {arr[k] = R[j];j++;}k++;}// 复制剩余元素while (i < n1) {arr[k] = L[i];i++;k++;}while (j < n2) {arr[k] = R[j];j++;k++;}}
}

6. 堆排序 (Heap Sort)

算法思路：

利用堆这种数据结构来实现排序。先将数据构造成一个大顶堆，然后依次将堆顶元素（最大值）与末尾元素交换，逐步缩小堆的范围并调整堆结构，直到排序完成。

时间复杂度：O(n log n)

代码实现：

public class HeapSort {public static void heapSort(int[] arr) {int n = arr.length;// 构建大顶堆for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {heapify(arr, n, i);}// 一个个从堆顶取出最大值，放在数组末尾for (int i = n - 1; i > 0; i--) {// 交换当前堆顶与最后一个元素int temp = arr[0];arr[0] = arr[i];arr[i] = temp;// 调整剩余堆结构heapify(arr, i, 0);}}private static void heapify(int[] arr, int n, int i) {int largest = i;  // 设定父节点为最大值int left = 2 * i + 1;  // 左子节点int right = 2 * i + 2;  // 右子节点// 如果左子节点比父节点大if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {largest = left;}// 如果右子节点比当前最大值大if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {largest = right;}// 如果最大值不是父节点，则交换并递归调整子树if (largest != i) {int swap = arr[i];arr[i] = arr[largest];arr[largest] = swap;heapify(arr, n, largest);}}
}