Java排序算法实战：从基础到进阶，掌握排序算法精髓

# 1. 排序算法基础**

排序算法是计算机科学中一项基本且重要的技术，用于对数据集合进行排序。排序算法的工作原理是将数据元素按一定顺序排列，例如升序或降序。

排序算法的性能通常由时间复杂度和空间复杂度来衡量。时间复杂度衡量算法执行所需的时间，而空间复杂度衡量算法执行所需的空间。不同的排序算法具有不同的时间和空间复杂度，因此选择合适的算法对于优化应用程序的性能至关重要。

排序算法有多种类型，每种类型都有其独特的优势和劣势。在本章中，我们将探讨排序算法的基础知识，包括其原理、实现和性能分析。

# 2. 基础排序算法

### 2.1 冒泡排序

#### 2.1.1 冒泡排序算法原理

冒泡排序是一种简单易懂的排序算法，其基本思想是将相邻元素两两比较，如果顺序错误，则交换它们的位置。重复这个过程，直到没有元素需要交换为止。

#### 2.1.2 冒泡排序算法实现

public static void bubbleSort(int[] arr) {
    int len = arr.length;
    for (int i = 0; i < len - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < len - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

**代码逻辑逐行解读：**

* **for (int i = 0; i < len - 1; i++)：**外层循环控制冒泡次数，len - 1 表示冒泡到倒数第二个元素即可。
* **for (int j = 0; j < len - i - 1; j++)：**内层循环控制每次冒泡比较的元素对，len - i - 1 表示每次冒泡只需要比较到当前冒泡次数的最后一个元素即可。
* **if (arr[j] > arr[j + 1])：**比较相邻元素，如果前一个元素大于后一个元素，则需要交换。
* **int temp = arr[j]; arr[j] = arr[j + 1]; arr[j + 1] = temp;：**交换元素。

### 2.2 选择排序

#### 2.2.1 选择排序算法原理

选择排序也是一种简单的排序算法，其基本思想是每次从剩余元素中找到最小（或最大）的元素，并将其与当前未排序序列的第一个元素交换。重复这个过程，直到所有元素都被排序。

#### 2.2.2 选择排序算法实现

public static void selectionSort(int[] arr) {
    int len = arr.length;
    for (int i = 0; i < len - 1; i++) {
        int minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < len; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[minIndex];
        arr[minIndex] = temp;
    }
}

**代码逻辑逐行解读：**

* **for (int i = 0; i < len - 1; i++)：**外层循环控制选择排序次数，len - 1 表示选择到倒数第二个元素即可。
* **int minIndex = i;：**记录当前未排序序列中最小元素的索引。
* **for (int j = i + 1; j < len; j++)：**内层循环查找当前未排序序列中最小元素。
* **if (arr[j] < arr[minIndex])：**比较元素，更新最小元素的索引。
* **int temp = arr[i]; arr[i] = arr[minIndex]; arr[minIndex] = temp;：**交换元素。

### 2.3 插入排序

#### 2.3.1 插入排序算法原理

插入排序是一种高效且稳定的排序算法，其基本思想是将待排序元素逐个插入到已排序序列中。从第二个元素开始，每次将当前元素与已排序序列中的元素比较，找到合适的插入位置，然后将当前元素插入到该位置。

#### 2.3.2 插入排序算法实现

public static void insertionSort(int[] arr) {
    int len = arr.length;
    for (int i = 1; i < len; 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;
    }
}

**代码逻辑逐行解读：**

* **for (int i = 1; i < len; i++)：**外层循环控制插入排序次数，从第二个元素开始。
* **int key = arr[i];：**保存当前待插入元素。
* **int j = i - 1;：**记录已排序序列中最后一个元素的索引。
* **while (j >= 0 && arr[j] > key)：**内层循环比较元素并移动元素，找到待插入元素的合适位置。
* **arr[j + 1] = key;：**将待插入元素插入到合适位置。

# 3.1 快速排序
#### 3.1.1 快速排序算法原理
快速排序是一种分治算法，它通过将数组分成两个子数组（左子数组和右子数组）来工作。左子数组包含小于或等于枢纽元素（数组中任意元素）的所有元素，而右子数组包含大于枢纽元素的所有元素。然后递归地对这两个子数组应用快速排序。

#### 3.1.2 快速排序算法实现

public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int partitionIndex = partition(arr, low, high);

        // 对左子数组进行快速排序
        quickSort(arr, low, partitionIndex - 1);

        // 对右子数组进行快速排序
        quickSort(arr, partitionIndex + 1, high);
    }
}

private static int partition(int[] arr, int low, int high) {
    // 选择枢纽元素
    int pivot = arr[high];

    // 将比枢纽元素小的元素移动到左边
    int i = (low - 1);
    for (int j = low; j <= high - 1; j++) {
        if (arr[j] < pivot) {
            i++;
            swap(arr, i, j);
        }
    }
    swap(arr, i + 1, high);
    return (i + 1);
}

private static void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

**代码逻辑逐行解读：**

* **quickSort()** 方法：快速排序算法的主方法，它采用分治策略，将数组分成左子数组和右子数组，并递归地对它们进行排序。
* **partition()** 方法：分区函数，它选择一个枢纽元素，将比枢纽元素小的元素移动到左边，比枢纽