Python实现各种排序算法的代码示例总结

作者:Donald Knuth 字体:[增加 减小] 类型:转载 时间:2015-12-11我要评论

这篇文章主要介绍了Python实现各种排序算法的代码示例总结,其实Python是非常好的算法入门学习时的配套高级语言,需要的朋友可以参考下

在Python实践中,我们往往遇到排序问题,比如在对搜索结果打分的排序(没有排序就没有Google等搜索引擎的存在),当然,这样的例子数不胜数。《数据结构》也会花大量篇幅讲解排序。之前一段时间,由于需要,我复习了一下排序算法,并用Python实现了各种排序算法,放在这里作为参考。

最简单的排序有三种:插入排序,选择排序和冒泡排序。这三种排序比较简单,它们的平均时间复杂度均为O(n^2),在这里对原理就不加赘述了。贴出来源代码。

插入排序:

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def insertion_sort(sort_list):
  iter_len = len(sort_list)
  if iter_len < 2:
    return sort_list
  for i in range(1, iter_len):
    key = sort_list[i]
    j = i - 1
    while j >= 0 and sort_list[j] > key:
      sort_list[j+1] = sort_list[j]
      j -= 1
    sort_list[j+1] = key
  return sort_list

冒泡排序:

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def bubble_sort(sort_list):
  iter_len = len(sort_list)
  if iter_len < 2:
    return sort_list
  for i in range(iter_len-1):
    for j in range(iter_len-i-1):
      if sort_list[j] > sort_list[j+1]:
        sort_list[j], sort_list[j+1] = sort_list[j+1], sort_list[j]
  return sort_list

选择排序:

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def selection_sort(sort_list):
  iter_len = len(sort_list)
  if iter_len < 2:
    return sort_list
  for i in range(iter_len-1):
    smallest = sort_list[i]
    location = i
    for j in range(i, iter_len):
      if sort_list[j] < smallest:
        smallest = sort_list[j]
        location = j
    if i != location:
      sort_list[i], sort_list[location] = sort_list[location], sort_list[i]
  return sort_list

这里我们可以看到这样的句子:

sort_list[i], sort_list[location] = sort_list[location], sort_list[i]
不了解Python的同学可能会觉得奇怪,没错,这是交换两个数的做法,通常在其他语言中如果要交换a与b的值,常常需要一个中间变量temp,首先把a赋给temp,然后把b赋给a,最后再把temp赋给b。但是在python中你就可以这么写:a,
b = b, a,其实这是因为赋值符号的左右两边都是元组(这里需要强调的是,在python中,元组其实是由逗号“,”来界定的,而不是括号)。

平均时间复杂度为O(nlogn)的算法有:归并排序,堆排序和快速排序。

归并排序。对于一个子序列,分成两份,比较两份的第一个元素,小者弹出,然后重复这个过程。对于待排序列,以中间值分成左右两个序列,然后对于各子序列再递归调用。源代码如下,由于有工具函数,所以写成了callable的类:

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class merge_sort(object):
  def _merge(self, alist, p, q, r):
    left = alist[p:q+1]
    right = alist[q+1:r+1]
    for i in range(p, r+1):
      if len(left) > 0 and len(right) > 0:
        if left[0] <= right[0]:
          alist[i] = left.pop(0)
        else:
          alist[i] = right.pop(0)
      elif len(right) == 0:
        alist[i] = left.pop(0)
      elif len(left) == 0:
        alist[i] = right.pop(0)
  
  def _merge_sort(self, alist, p, r):
    if p<r:
      q = int((p+r)/2)
      self._merge_sort(alist, p, q)
      self._merge_sort(alist, q+1, r)
      self._merge(alist, p, q, r)
  
  def __call__(self, sort_list):
    self._merge_sort(sort_list, 0, len(sort_list)-1)
    return sort_list

堆排序,是建立在数据结构——堆上的。关于堆的基本概念、以及堆的存储方式这里不作介绍。这里用一个列表来存储堆(和用数组存储类似),对于处在i位置的元素,2i+1位置上的是其左孩子,2i+2是其右孩子,类似得可以得出该元素的父元素。

首先我们写一个函数,对于某个子树,从根节点开始,如果其值小于子节点的值,就交换其值。用此方法来递归其子树。接着,我们对于堆的所有非叶节点,自下而上调用先前所述的函数,得到一个树,对于每个节点(非叶节点),它都大于其子节点。(其实这是建立最大堆的过程)在完成之后,将列表的头元素和尾元素调换顺序,这样列表的最后一位就是最大的数,接着在对列表的0到n-1部分再调用以上建立最大堆的过程。最后得到堆排序完成的列表。以下是源代码:

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class heap_sort(object):
  def _left(self, i):
    return 2*i+1
  def _right(self, i):
    return 2*i+2
  def _parent(self, i):
    if i%2==1:
      return int(i/2)
    else:
      return i/2-1
  
  def _max_heapify(self, alist, i, heap_size=None):
    length = len(alist)
  
    if heap_size is None:
      heap_size = length
  
    l = self._left(i)
    r = self._right(i)
  
    if l < heap_size and alist[l] > alist[i]:
      largest = l
    else:
      largest = i
    if r < heap_size and alist[r] > alist[largest]:
      largest = r
  
    if largest!=i:
      alist[i], alist[largest] = alist[largest], alist[i]
      self._max_heapify(alist, largest, heap_size)
  
  def _build_max_heap(self, alist):
    roop_end = int(len(alist)/2)
    for i in range(0, roop_end)[::-1]:
      self._max_heapify(alist, i)
  
  def __call__(self, sort_list):
    self._build_max_heap(sort_list)
    heap_size = len(sort_list)
    for i in range(1, len(sort_list))[::-1]:
      sort_list[0], sort_list[i] = sort_list[i], sort_list[0]
      heap_size -= 1
      self._max_heapify(sort_list, 0, heap_size)
  
    return sort_list

最后一种要说明的交换排序算法(以上所有算法都为交换排序,原因是都需要通过两两比较交换顺序)自然就是经典的快速排序。

先来讲解一下原理。首先要用到的是分区工具函数(partition),对于给定的列表(数组),我们首先选择基准元素(这里我选择最后一个元素),通过比较,最后使得该元素的位置,使得这个运行结束的新列表(就地运行)所有在基准元素左边的数都小于基准元素,而右边的数都大于它。然后我们对于待排的列表,用分区函数求得位置,将列表分为左右两个列表(理想情况下),然后对其递归调用分区函数,直到子序列的长度小于等于1。

下面是快速排序的源代码:

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class quick_sort(object):
  def _partition(self, alist, p, r):
    i = p-1
    x = alist[r]
    for j in range(p, r):
      if alist[j] <= x:
        i += 1
        alist[i], alist[j] = alist[j], alist[i]
    alist[i+1], alist[r] = alist[r], alist[i+1]
    return i+1
  
  def _quicksort(self, alist, p, r):
    if p < r:
      q = self._partition(alist, p, r)
      self._quicksort(alist, p, q-1)
      self._quicksort(alist, q+1, r)
  
  def __call__(self, sort_list):
    self._quicksort(sort_list, 0, len(sort_list)-1)
    return sort_list

细心的朋友在这里可能会发现一个问题,如果待排序列正好是顺序的时候,整个的递归将会达到最大递归深度(序列的长度)。而实际上在操作的时候,当列表长度大于1000(理论值)的时候,程序会中断,报超出最大递归深度的错误(maximum
recursion depth
exceeded)。在查过资料后我们知道,Python在默认情况下,最大递归深度为1000(理论值,其实真实情况下,只有995左右,各个系统这个值的大小也不同)。这个问题有两种解决方案,1)重新设置最大递归深度,采用以下方法设置:

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import sys
sys.setrecursionlimit(99999)

2)第二种方法就是采用另外一个版本的分区函数,称为随机化分区函数。由于之前我们的选择都是子序列的最后一个数,因此对于特殊情况的健壮性就差了许多。现在我们随机从子序列选择基准元素,这样可以减少对特殊情况的差错率。新的randomize
partition函数如下:

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def _randomized_partition(self, alist, p, r):
  i = random.randint(p, r)
  alist[i], alist[r] = alist[r], alist[i]
  return self._partition(alist, p, r)

完整的randomize_quick_sort的代码如下(这里我直接继承之前的quick_sort类):

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import random
class randomized_quick_sort(quick_sort):
  def _randomized_partition(self, alist, p, r):
    i = random.randint(p, r)
    alist[i], alist[r] = alist[r], alist[i]
    return self._partition(alist, p, r)
  
  def _quicksort(self, alist, p, r):
    if p<r:
      q = self._randomized_partition(alist, p, r)
      self._quicksort(alist, p, q-1)
      self._quicksort(alist, q+1, r)

关于快速排序的讨论还没有结束。我们都知道,Python是一门很优雅的语言,而Python写出来的代码是相当简洁而可读性极强的。这里就介绍快排的另一种写法,只需要三行就能够搞定,但是又不失阅读性。(当然,要看懂是需要一定的Python基础的)代码如下:

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def quick_sort_2(sort_list):
  if len(sort_list)<=1:
    return sort_list
  return quick_sort_2([lt for lt in sort_list[1:] if lt<sort_list[0]]) + \
      sort_list[0:1] + \
      quick_sort_2([ge for ge in sort_list[1:] if ge>=sort_list[0]])

怎么样看懂了吧,这段代码出自《Python cookbook 第二版》,这种写法展示出了列表推导的强大表现力。

对于比较排序算法,我们知道,可以把所有可能出现的情况画成二叉树(决策树模型),对于n个长度的列表,其决策树的高度为h,叶子节点就是这个列表乱序的全部可能性为n!,而我们知道,这个二叉树的叶子节点不会超过2^h,所以有2^h>=n!,取对数,可以知道,h>=logn!,这个是近似于O(nlogn)。也就是说比较排序算法的最好性能就是O(nlgn)。

那有没有线性时间,也就是时间复杂度为O(n)的算法呢?答案是肯定的。不过由于排序在实际应用中算法其实是非常复杂的。这里只是讨论在一些特殊情形下的线性排序算法。特殊情形下的线性排序算法主要有计数排序,桶排序和基数排序。这里只简单说一下计数排序。

计数排序是建立在对待排序列这样的假设下:假设待排序列都是正整数。首先,声明一个新序列list2,序列的长度为待排序列中的最大数。遍历待排序列,对每个数,设其大小为i,list2[i]++,这相当于计数大小为i的数出现的次数。然后,申请一个list,长度等于待排序列的长度(这个是输出序列,由此可以看出计数排序不是就地排序算法),倒序遍历待排序列(倒排的原因是为了保持排序的稳定性,及大小相同的两个数在排完序后位置不会调换),假设当前数大小为i,list[list2[i]-1]
= i,同时list2[i]自减1(这是因为这个大小的数已经输出一个,所以大小要自减)。于是,计数排序的源代码如下。

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class counting_sort(object):
  def _counting_sort(self, alist, k):
    alist3 = [0 for i in range(k)]
    alist2 = [0 for i in range(len(alist))]
    for j in alist:
      alist3[j] += 1
    for i in range(1, k):
      alist3[i] = alist3[i-1] + alist3[i]
    for l in alist[::-1]:
      alist2[alist3[l]-1] = l
      alist3[l] -= 1
    return alist2
  
  def __call__(self, sort_list, k=None):
    if k is None:
      import heapq
      k = heapq.nlargest(1, sort_list)[0] + 1
    return self._counting_sort(sort_list, k)

各种排序算法介绍完(以上的代码都通过了我写的单元测试),我们再回到Python这个主题上来。其实Python从最早的版本开始,多次更换内置的排序算法。从开始使用C库提供的qsort例程(这个方法有相当多的问题),到后来自己开始实现自己的算法,包括2.3版本以前的抽样排序和折半插入排序的混合体,以及最新的适应性的排序算法,代码也由C语言的800行到1200行,以至于更多。从这些我们可以知道,在实际生产环境中,使用经典的排序算法是不切实际的,它们仅仅能做学习研究之用。而在实践中,更推荐的做法应该遵循以下两点:

当需要排序的时候,尽量设法使用内建Python列表的sort方法。
当需要搜索的时候,尽量设法使用内建的字典。
我写了测试函数,来比较内置的sort方法相比于以上方法的优越性。测试序列长度为5000,每个函数测试3次取平均值,可以得到以下的测试结果:

可以看出,Python内置函数是有很大的优势的。因此在实际应用时,我们应该尽量使用内置的sort方法。

由此,我们引出另外一个问题。怎么样判断一个序列中是否有重复元素,如果有返回True,没有返回False。有人会说,这不很简单么,直接写两个嵌套的迭代,遍历就是了。代码写下来应该是这样。

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def normal_find_same(alist):
  length = len(alist)
  for i in range(length):
    for j in range(i+1, length):
      if alist[i] == alist[j]:
        return True
  return False

这种方法的代价是非常大的(平均时间复杂度是O(n^2),当列表中没有重复元素的时候会达到最坏情况),由之前的经验,我们可以想到,利用内置sort方法极快的经验,我们可以这么做:首先将列表排序,然后遍历一遍,看是否有重复元素。包括完整的测试代码如下:

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import time
import random
  
def record_time(func, alist):
  start = time.time()
  func(alist)
  end = time.time()
  
  return end - start
  
def quick_find_same(alist):
  alist.sort()
  length = len(alist)
  for i in range(length-1):
    if alist[i] == alist[i+1]:
      return True
  return False
  
if __name__ == "__main__":
  methods = (normal_find_same, quick_find_same)
  alist = range(5000)
  random.shuffle(alist)
  
  for m in methods:
    print 'The method %s spends %s' % (m.__name__, record_time(m, alist))

运行以后我的数据是,对于5000长度,没有重复元素的列表,普通方法需要花费大约1.205秒,而快速查找法花费只有0.003秒。这就是排序在实际应用中的一个例子。

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