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桶排序

分类: IT文章 • 2023-01-14 00:34:53

参考：

https://www.jianshu.com/p/204ed43aec0c

https://blog.csdn.net/qq_27124771/article/details/87651495

https://blog.csdn.net/mazhaMJ/article/details/92629394

桶排序是将待排序集合中处于同一个值域的元素存入同一个桶中，也就是根据元素值特性将集合拆分为多个区域，则拆分后形成的多个桶，从值域上看是处于有序状态的。对每个桶中元素进行排序，则所有桶中元素构成的集合是已排序的。

说简单点，就是：将待排序的数据分到几个有序的桶里，然后对每个桶内的数据单独排序，桶内排完序后，再按顺序依次取出，组成有序序列。

桶排序其实是计数排序的扩展版本，计数排序可以看成每个桶只存储相同元素，而桶排序每个桶存储一定范围的元素，通过映射函数，将待排序数组中的元素映射到各个对应的桶中，对每个桶中的元素进行排序，最后将非空桶中的元素逐个放入原序列中。

快速排序是将集合拆分为两个值域，这里称为两个桶，再分别对两个桶进行排序，最终完成排序。桶排序则是将集合拆分为多个桶，对每个桶进行排序，则完成排序过程。两者不同之处在于，快排是在集合本身上进行排序，属于原地排序方式，且对每个桶的排序方式也是快排。桶排序则是提供了额外的操作空间，在额外空间上对桶进行排序，避免了构成桶过程的元素比较和交换操作，同时可以自主选择恰当的排序算法对桶进行排序。
 
当然桶排序更是对计数排序的改进，计数排序申请的额外空间跨度从最小元素值到最大元素值，若待排序集合中元素不是依次递增的，则必然有空间浪费情况。桶排序则是弱化了这种浪费情况，将最小值到最大值之间的每一个位置申请空间，更新为最小值到最大值之间每一个固定区域申请空间，尽量减少了元素值大小不连续情况下的空间浪费情况。
桶排序过程中存在两个关键环节：
  • 元素值域的划分，也就是元素到桶的映射规则。映射规则需要根据待排序集合的元素分布特性进行选择，若规则设计的过于模糊、宽泛，则可能导致待排序集合中所有元素全部映射到一个桶上，则桶排序向比较性质排序算法演变。若映射规则设计的过于具体、严苛，则可能导致待排序集合中每一个元素值映射到一个桶上，则桶排序向计数排序方式演化。
  • 排序算法的选择，从待排序集合中元素映射到各个桶上的过程，并不存在元素的比较和交换操作，在对各个桶中元素进行排序时，可以自主选择合适的排序算法，桶排序算法的复杂度和稳定性，都根据选择的排序算法不同而不同。

算法过程

  1. 根据待排序集合中最大元素和最小元素的差值范围和映射规则，确定申请的桶个数；
  2. 遍历待排序集合，将每一个元素移动到对应的桶中；
  3. 对各个桶中元素进行排序，并移动到已排序集合中。
备注：步骤 3 中提到的已排序集合，和步骤 1、2 中的待排序集合是同一个集合。与计数排序不同，桶排序的步骤 2 完成之后，所有元素都处于桶中，并且对桶中元素排序后，移动元素过程中不再依赖原始集合，所以可以将桶中元素移动回原始集合即可。

演示示例

待排序集合为：[-7, 51, 3, 121, -3, 32, 21, 43, 4, 25, 56, 77, 16, 22, 87, 56, -10, 68, 99, 70]
映射规则为：桶排序，其中常量位：桶排序，即以间隔大小 10 来区分不同值域
排序算法为：堆排序，根据堆排序特性可知，桶排序 个元素的集合，时间复杂度为：桶排序，算法不保持稳定性

step 1:

遍历集合可得，最大值为：桶排序，最小值为：桶排序，待申请桶的个数为：

桶排序

step 2:

遍历待排序集合，依次添加各元素到对应的桶中。

桶排序

step 3:

对每一个桶中元素进行排序，并移动回原始集合中，即完成排序过程。

算法示例（别问我这是什么语言的代码，我也不懂呃呃呃）

 1 def bucketSort(arr):
 2     maximum, minimum = max(arr), min(arr)
 3     bucketArr = [[] for i in range(maximum // 10 - minimum // 10 + 1)]  # set the map rule and apply for space
 4     for i in arr:  # map every element in array to the corresponding bucket
 5         index = i // 10 - minimum // 10
 6         bucketArr[index].append(i)
 7     arr.clear()
 8     for i in bucketArr:
 9         heapSort(i)   # sort the elements in every bucket
10         arr.extend(i)  # move the sorted elements in bucket to array
第一个循环作用为将待排序集合中元素移动到对应的桶中，复杂度为 桶排序；第二个循环的作用为对每个桶中元素进行排序，并移动回初始集合中，若桶个数为 桶排序，平均每个桶中元素个数为 桶排序，则复杂度为 桶排序。当 桶排序 时，即桶排序向计数排序方式演化，则堆排序不发挥作用，复杂度为 桶排序，只需要将元素移动回初始集合即可。当 桶排序 时，即桶排序向比较性质排序算法演化，对集合进行堆排序，并将元素移动回初始集合，复杂度为 桶排序。

算法分析

由算法过程可知，桶排序的时间复杂度为 桶排序，其中 桶排序 表示桶的个数。

由于需要申请额外的空间来保存元素，并申请额外的数组来存储每个桶，所以空间复杂度为 桶排序。

算法的稳定性取决于对桶中元素排序时选择的排序算法。

由桶排序的过程可知，当待排序集合中存在元素值相差较大时，对映射规则的选择是一个挑战，可能导致元素集中分布在某一个桶中或者绝大多数桶是空桶的现象，对算法的时间复杂度或空间复杂度有较大影响，所以同计数排序一样，桶排序适用于元素值分布较为集中的序列。

一个简单明了的例子：

桶排序

实例代码
 1 public static void bucketSort(int[] arr){
 2     
 3     // 计算最大值与最小值
 4     int max = Integer.MIN_VALUE;
 5     int min = Integer.MAX_VALUE;
 6     for(int i = 0; i < arr.length; i++){
 7         max = Math.max(max, arr[i]);
 8         min = Math.min(min, arr[i]);
 9     }
10     
11     // 计算桶的数量
12     int bucketNum = (max - min) / arr.length + 1;
13     ArrayList<ArrayList<Integer>> bucketArr = new ArrayList<>(bucketNum);
14     for(int i = 0; i < bucketNum; i++){
15         bucketArr.add(new ArrayList<Integer>());
16     }
17     
18     // 将每个元素放入桶
19     for(int i = 0; i < arr.length; i++){
20         int num = (arr[i] - min) / (arr.length);
21         bucketArr.get(num).add(arr[i]);
22     }
23     
24     // 对每个桶进行排序
25     for(int i = 0; i < bucketArr.size(); i++){
26         Collections.sort(bucketArr.get(i));
27     }
28     
29     // 将桶中的元素赋值到原序列
30     int index = 0;
31     for(int i = 0; i < bucketArr.size(); i++){
32         for(int j = 0; j < bucketArr.get(i).size(); j++){
33             arr[index++] = bucketArr.get(i).get(j);
34         }
35     }  
36 }

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