hello-algo/docs/chapter_sorting/bucket_sort.md

451 lines
21 KiB
Markdown
Raw Normal View History

2023-10-06 13:31:21 +08:00
---
comments: true
---
# 11.8   桶排序
2023-12-02 06:24:05 +08:00
前述几种排序算法都属于“基于比较的排序算法”,它们通过比较元素间的大小来实现排序。此类排序算法的时间复杂度无法超越 $O(n \log n)$ 。接下来,我们将探讨几种“非比较排序算法”,它们的时间复杂度可以达到线性阶。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
2024-04-03 04:41:27 +08:00
<u>桶排序bucket sort</u>是分治策略的一个典型应用。它通过设置一些具有大小顺序的桶,每个桶对应一个数据范围,将数据平均分配到各个桶中;然后,在每个桶内部分别执行排序;最终按照桶的顺序将所有数据合并。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
## 11.8.1 &nbsp; 算法流程
2023-12-02 06:24:05 +08:00
考虑一个长度为 $n$ 的数组,其元素是范围 $[0, 1)$ 内的浮点数。桶排序的流程如图 11-13 所示。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
1. 初始化 $k$ 个桶,将 $n$ 个元素分配到 $k$ 个桶中。
2023-12-02 06:24:05 +08:00
2. 对每个桶分别执行排序(这里采用编程语言的内置排序函数)。
3. 按照桶从小到大的顺序合并结果。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
2023-11-09 05:13:48 +08:00
![桶排序算法流程](bucket_sort.assets/bucket_sort_overview.png){ class="animation-figure" }
2023-10-06 13:31:21 +08:00
<p align="center"> 图 11-13 &nbsp; 桶排序算法流程 </p>
2023-12-02 06:24:05 +08:00
代码如下所示:
2023-10-06 13:31:21 +08:00
=== "Python"
```python title="bucket_sort.py"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
def bucket_sort(nums: list[float]):
"""桶排序"""
# 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
k = len(nums) // 2
buckets = [[] for _ in range(k)]
# 1. 将数组元素分配到各个桶中
for num in nums:
2023-12-02 06:24:05 +08:00
# 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
i = int(num * k)
# 将 num 添加进桶 i
buckets[i].append(num)
# 2. 对各个桶执行排序
for bucket in buckets:
# 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.sort()
# 3. 遍历桶合并结果
i = 0
for bucket in buckets:
for num in bucket:
nums[i] = num
i += 1
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "C++"
```cpp title="bucket_sort.cpp"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
void bucketSort(vector<float> &nums) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
int k = nums.size() / 2;
vector<vector<float>> buckets(k);
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (float num : nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
int i = num * k;
// 将 num 添加进桶 bucket_idx
buckets[i].push_back(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (vector<float> &bucket : buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
sort(bucket.begin(), bucket.end());
}
// 3. 遍历桶合并结果
int i = 0;
for (vector<float> &bucket : buckets) {
for (float num : bucket) {
nums[i++] = num;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "Java"
```java title="bucket_sort.java"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
void bucketSort(float[] nums) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
int k = nums.length / 2;
List<List<Float>> buckets = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < k; i++) {
buckets.add(new ArrayList<>());
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (float num : nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
int i = (int) (num * k);
// 将 num 添加进桶 i
buckets.get(i).add(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (List<Float> bucket : buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
Collections.sort(bucket);
}
// 3. 遍历桶合并结果
int i = 0;
for (List<Float> bucket : buckets) {
for (float num : bucket) {
nums[i++] = num;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "C#"
```csharp title="bucket_sort.cs"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
2023-10-08 01:43:28 +08:00
void BucketSort(float[] nums) {
2023-10-06 14:10:18 +08:00
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
int k = nums.Length / 2;
2023-11-27 02:32:06 +08:00
List<List<float>> buckets = [];
2023-10-06 14:10:18 +08:00
for (int i = 0; i < k; i++) {
2023-11-27 02:32:06 +08:00
buckets.Add([]);
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
foreach (float num in nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
int i = (int)(num * k);
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].Add(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
foreach (List<float> bucket in buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.Sort();
}
// 3. 遍历桶合并结果
int j = 0;
foreach (List<float> bucket in buckets) {
foreach (float num in bucket) {
nums[j++] = num;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "Go"
```go title="bucket_sort.go"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
func bucketSort(nums []float64) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
k := len(nums) / 2
buckets := make([][]float64, k)
for i := 0; i < k; i++ {
buckets[i] = make([]float64, 0)
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for _, num := range nums {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
i := int(num * float64(k))
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i] = append(buckets[i], num)
}
// 2. 对各个桶执行排序
for i := 0; i < k; i++ {
// 使用内置切片排序函数,也可以替换成其他排序算法
sort.Float64s(buckets[i])
}
// 3. 遍历桶合并结果
i := 0
for _, bucket := range buckets {
for _, num := range bucket {
nums[i] = num
i++
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "Swift"
```swift title="bucket_sort.swift"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
func bucketSort(nums: inout [Double]) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
let k = nums.count / 2
var buckets = (0 ..< k).map { _ in [Double]() }
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for num in nums {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
let i = Int(num * Double(k))
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].append(num)
}
// 2. 对各个桶执行排序
for i in buckets.indices {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
buckets[i].sort()
}
// 3. 遍历桶合并结果
var i = nums.startIndex
for bucket in buckets {
for num in bucket {
nums[i] = num
2024-03-21 04:22:07 +08:00
i += 1
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "JS"
```javascript title="bucket_sort.js"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
function bucketSort(nums) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
const k = nums.length / 2;
const buckets = [];
for (let i = 0; i < k; i++) {
buckets.push([]);
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (const num of nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
const i = Math.floor(num * k);
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].push(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (const bucket of buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.sort((a, b) => a - b);
}
// 3. 遍历桶合并结果
let i = 0;
for (const bucket of buckets) {
for (const num of bucket) {
nums[i++] = num;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "TS"
```typescript title="bucket_sort.ts"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
function bucketSort(nums: number[]): void {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
const k = nums.length / 2;
const buckets: number[][] = [];
for (let i = 0; i < k; i++) {
buckets.push([]);
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (const num of nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
const i = Math.floor(num * k);
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].push(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (const bucket of buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.sort((a, b) => a - b);
}
// 3. 遍历桶合并结果
let i = 0;
for (const bucket of buckets) {
for (const num of bucket) {
nums[i++] = num;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "Dart"
```dart title="bucket_sort.dart"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
void bucketSort(List<double> nums) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
int k = nums.length ~/ 2;
List<List<double>> buckets = List.generate(k, (index) => []);
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
2023-11-17 00:35:19 +08:00
for (double _num in nums) {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 _num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-11-17 00:35:19 +08:00
int i = (_num * k).toInt();
// 将 _num 添加进桶 bucket_idx
buckets[i].add(_num);
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (List<double> bucket in buckets) {
bucket.sort();
}
// 3. 遍历桶合并结果
int i = 0;
for (List<double> bucket in buckets) {
2023-11-17 00:35:19 +08:00
for (double _num in bucket) {
nums[i++] = _num;
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "Rust"
```rust title="bucket_sort.rs"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
fn bucket_sort(nums: &mut [f64]) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
let k = nums.len() / 2;
let mut buckets = vec![vec![]; k];
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for &mut num in &mut *nums {
2023-12-02 06:24:05 +08:00
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
2023-10-06 14:10:18 +08:00
let i = (num * k as f64) as usize;
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].push(num);
}
// 2. 对各个桶执行排序
for bucket in &mut buckets {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.sort_by(|a, b| a.partial_cmp(b).unwrap());
}
// 3. 遍历桶合并结果
let mut i = 0;
for bucket in &mut buckets {
for &mut num in bucket {
nums[i] = num;
i += 1;
}
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
=== "C"
```c title="bucket_sort.c"
2023-10-06 14:10:18 +08:00
/* 桶排序 */
2024-04-12 03:16:45 +08:00
void bucketSort(float nums[], int n) {
int k = n / 2; // 初始化 k = n/2 个桶
int *sizes = malloc(k * sizeof(int)); // 记录每个桶的大小
float **buckets = malloc(k * sizeof(float *)); // 动态数组的数组(桶)
2024-04-12 03:23:26 +08:00
// 为每个桶预分配足够的空间
2024-04-12 03:16:45 +08:00
for (int i = 0; i < k; ++i) {
buckets[i] = (float *)malloc(n * sizeof(float));
sizes[i] = 0;
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
2024-04-12 03:16:45 +08:00
for (int i = 0; i < n; ++i) {
int idx = (int)(nums[i] * k);
buckets[idx][sizes[idx]++] = nums[i];
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
// 2. 对各个桶执行排序
2024-04-12 03:16:45 +08:00
for (int i = 0; i < k; ++i) {
qsort(buckets[i], sizes[i], sizeof(float), compare);
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
2024-04-12 03:16:45 +08:00
// 3. 合并排序后的桶
int idx = 0;
for (int i = 0; i < k; ++i) {
for (int j = 0; j < sizes[i]; ++j) {
nums[idx++] = buckets[i][j];
2023-10-06 14:10:18 +08:00
}
2024-04-12 03:16:45 +08:00
// 释放内存
2023-10-06 14:10:18 +08:00
free(buckets[i]);
}
}
2023-10-06 13:31:21 +08:00
```
2024-03-25 22:43:12 +08:00
=== "Kotlin"
```kotlin title="bucket_sort.kt"
/* 桶排序 */
fun bucketSort(nums: FloatArray) {
// 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素
val k = nums.size / 2
2024-04-09 20:43:40 +08:00
val buckets = mutableListOf<MutableList<Float>>()
2024-03-25 22:43:12 +08:00
for (i in 0..<k) {
2024-04-09 20:43:40 +08:00
buckets.add(mutableListOf())
2024-03-25 22:43:12 +08:00
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (num in nums) {
// 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
val i = (num * k).toInt()
// 将 num 添加进桶 i
buckets[i].add(num)
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (bucket in buckets) {
// 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法
bucket.sort()
}
// 3. 遍历桶合并结果
var i = 0
for (bucket in buckets) {
for (num in bucket) {
nums[i++] = num
}
}
}
```
2024-03-31 03:53:04 +08:00
=== "Ruby"
```ruby title="bucket_sort.rb"
[class]{}-[func]{bucket_sort}
```
2023-10-06 13:31:21 +08:00
=== "Zig"
```zig title="bucket_sort.zig"
[class]{}-[func]{bucketSort}
```
2024-01-07 23:42:54 +08:00
??? pythontutor "可视化运行"
2024-01-09 16:00:24 +08:00
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20bucket_sort%28nums%3A%20list%5Bfloat%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%A1%B6%E6%8E%92%E5%BA%8F%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%20k%20%3D%20n/2%20%E4%B8%AA%E6%A1%B6%EF%BC%8C%E9%A2%84%E6%9C%9F%E5%90%91%E6%AF%8F%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E5%88%86%E9%85%8D%202%20%E4%B8%AA%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20k%20%3D%20len%28nums%29%20//%202%0A%20%20%20%20buckets%20%3D%20%5B%5B%5D%20for%20_%20in%20range%28k%29%5D%0A%20%20%20%20%23%201.%20%E5%B0%86%E6%95%B0%E7%BB%84%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%88%86%E9%85%8D%E5%88%B0%E5%90%84%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E4%B8%AD%0A%20%20%20%20for%20num%20in%20nums%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E8%BE%93%E5%85%A5%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%8C%83%E5%9B%B4%E4%B8%BA%20%5B0,%201%29%EF%BC%8C%E4%BD%BF%E7%94%A8%20num%20*%20k%20%E6%98%A0%E5%B0%84%E5%88%B0%E7%B4%A2%E5%BC%95%E8%8C%83%E5%9B%B4%20%5B0,%20k-1%5D%0A%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20int%28num%20*%20k%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E5%B0%86%20num%20%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E8%BF%9B%E6%A1%B6%20i%0A%20%20%20%20%20%20%20%20buckets%5Bi%5D.append%28num%29%0A%20%20%20%20%23%202.%20%E5%AF%B9%E5%90%84%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E6%89%A7%E8%A1%8C%E6%8E%92%E5%BA%8F%0A%20%20%20%20for%20bucket%20in%20buckets%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E4%BD%BF%E7%94%A8%E5%86%85%E7%BD%AE%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%87%BD%E6%95%B0%EF%BC%8C%E4%B9%9F%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E6%9B%BF%E6%8D%A2%E6%88%90%E5%85%B6%E4%BB%96%E6%8E%92%E5%BA%8F%E7%AE%97%E6%B3%95%0A%20%20%20%20%20%20%20%20bucket.sort%28%29%0A%20%20%20%20%23%203.%20%E9%81%8D%E5%8E%86%E6%A1%B6%E5%90%88%E5%B9%B6%E7%BB%93%E6%9E%9C%0A%20%20%20%20i%20%3D%200%0A%20%20%20%20for%20bucket%20in%20buckets%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20num%20in%20bucket%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20nums%5Bi%5D%20%3D%20num%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%2B%3D%201%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BE%E8%BE%93%E5%85%A5%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%B8%BA%E6%B5%AE%E7%82%B9%E6%95%B0%EF%BC%8C%E8%8C%83%E5%9B%B4%E4%B8%BA%20%5B0,%201%29%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B0.49,%200.96,%200.82,%200.09,%200.57,%200.43,%200.91,%200.75,%200.15,%200.37%5D%0A%20%20%20%20bucket_sort%28nums%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A1%B6%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%AE%8C%E6%88%90%E5%90%8E%20nums%20%3D%22,%20nums%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20bucket_sort%28nums%3A%20list%5Bfloat%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%A1%B6%E6%8E%92%E5%BA%8F%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%20k%20%3D%20n/2%20%E4%B8%AA%E6%A1%B6%EF%BC%8C%E9%A2%84%E6%9C%9F%E5%90%91%E6%AF%8F%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E5%88%86%E9%85%8D%202%20%E4%B8%AA%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20k%20%3D%20len%28nums%29%20//%202%0A%20%20%20%20buckets%20%3D%20%5B%5B%5D%20for%20_%20in%20range%28k%29%5D%0A%20%20%20%20%23%201.%20%E5%B0%86%E6%95%B0%E7%BB%84%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%88%86%E9%85%8D%E5%88%B0%E5%90%84%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E4%B8%AD%0A%20%20%20%20for%20num%20in%20nums%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E8%BE%93%E5%85%A5%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%8C%83%E5%9B%B4%E4%B8%BA%20%5B0,%201%29%EF%BC%8C%E4%BD%BF%E7%94%A8%20num%20*%20k%20%E6%98%A0%E5%B0%84%E5%88%B0%E7%B4%A2%E5%BC%95%E8%8C%83%E5%9B%B4%20%5B0,%20k-1%5D%0A%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20int%28num%20*%20k%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E5%B0%86%20num%20%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E8%BF%9B%E6%A1%B6%20i%0A%20%20%20%20%20%20%20%20buckets%5Bi%5D.append%28num%29%0A%20%20%20%20%23%202.%20%E5%AF%B9%E5%90%84%E4%B8%AA%E6%A1%B6%E6%89%A7%E8%A1%8C%E6%8E%92%E5%BA%8F%0A%20%20%20%20for%20bucket%20in%20buckets%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E4%BD%BF%E7%94%A8%E5%86%85%E7%BD%AE%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%87%BD%E6%95%B0%EF%BC%8C%E4%B9%9F%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E6%9B%BF%E6%8D%A2%E6%88%90%E5%85%B6%E4%BB%96%E6%8E%92%E5%BA%8F%E7%AE%97%E6%B3%95%0A%20%20%20%20%20%20%20%20bucket.sort%28%29%0A%20%20%20%20%23%203.%20%E9%81%8D%E5%8E%86%E6%A1%B6%E5%90%88%E5%B9%B6%E7%BB%93%E6%9E%9C%0A%20%20%20%20i%20%3D%200%0A%20%20%20%20for%20bucket%20in%20buckets%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20for%20num%20in%20bucket%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20nums%5Bi%5D%20%3D%20num%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%2B%3D%201%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BE%E8%BE%93%E5%85%A5%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%B8%BA%E6%B5%AE%E7%82%B9%E6%95%B0%EF%BC%8C%E8%8C%83%E5%9B%B4%E4%B8%BA%20%5B0,%201%29%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B0.49,%200.96,%200.82,%200.09,%200.57,%200.43,%200.91,%200.75,%200.15,%200.37%5D%0A%20%20%20%20bucket_sort%28nums%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A1%B6%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%AE%8C%E6%88%90%E5%90%8E%20nums%20%3D%22,%20nums%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全屏观看 ></a></div>
2024-01-07 23:42:54 +08:00
2023-10-06 13:31:21 +08:00
## 11.8.2 &nbsp; 算法特性
桶排序适用于处理体量很大的数据。例如,输入数据包含 100 万个元素,由于空间限制,系统内存无法一次性加载所有数据。此时,可以将数据分成 1000 个桶,然后分别对每个桶进行排序,最后将结果合并。
2023-12-28 17:18:37 +08:00
- **时间复杂度为 $O(n + k)$** :假设元素在各个桶内平均分布,那么每个桶内的元素数量为 $\frac{n}{k}$ 。假设排序单个桶使用 $O(\frac{n}{k} \log\frac{n}{k})$ 时间,则排序所有桶使用 $O(n \log\frac{n}{k})$ 时间。**当桶数量 $k$ 比较大时,时间复杂度则趋向于 $O(n)$** 。合并结果时需要遍历所有桶和元素,花费 $O(n + k)$ 时间。
2023-12-02 06:24:05 +08:00
- **自适应排序**:在最差情况下,所有数据被分配到一个桶中,且排序该桶使用 $O(n^2)$ 时间。
2023-12-28 17:18:37 +08:00
- **空间复杂度为 $O(n + k)$、非原地排序**:需要借助 $k$ 个桶和总共 $n$ 个元素的额外空间。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
- 桶排序是否稳定取决于排序桶内元素的算法是否稳定。
## 11.8.3 &nbsp; 如何实现平均分配
2023-12-02 06:24:05 +08:00
桶排序的时间复杂度理论上可以达到 $O(n)$ **关键在于将元素均匀分配到各个桶中**,因为实际数据往往不是均匀分布的。例如,我们想要将淘宝上的所有商品按价格范围平均分配到 10 个桶中,但商品价格分布不均,低于 100 元的非常多,高于 1000 元的非常少。若将价格区间平均划分为 10 个,各个桶中的商品数量差距会非常大。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
2023-12-02 06:24:05 +08:00
为实现平均分配,我们可以先设定一条大致的分界线,将数据粗略地分到 3 个桶中。**分配完毕后,再将商品较多的桶继续划分为 3 个桶,直至所有桶中的元素数量大致相等**。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
2023-12-02 06:24:05 +08:00
如图 11-14 所示,这种方法本质上是创建一棵递归树,目标是让叶节点的值尽可能平均。当然,不一定要每轮将数据划分为 3 个桶,具体划分方式可根据数据特点灵活选择。
2023-10-06 13:31:21 +08:00
2023-11-09 05:13:48 +08:00
![递归划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_recursively.png){ class="animation-figure" }
2023-10-06 13:31:21 +08:00
<p align="center"> 图 11-14 &nbsp; 递归划分桶 </p>
如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据数据概率分布设置每个桶的价格分界线**。值得注意的是,数据分布并不一定需要特意统计,也可以根据数据特点采用某种概率模型进行近似。
如图 11-15 所示,我们假设商品价格服从正态分布,这样就可以合理地设定价格区间,从而将商品平均分配到各个桶中。
2023-11-09 05:13:48 +08:00
![根据概率分布划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_distribution.png){ class="animation-figure" }
2023-10-06 13:31:21 +08:00
<p align="center"> 图 11-15 &nbsp; 根据概率分布划分桶 </p>