Быстрая сортировка

Быстрая сортировка (англ. quicksort), часто называемая qsort по имени реализации в стандартной библиотеке языка Си — широко известный алгоритм сортировки, разработанный английским информатиком Чарльзом Хоаром. Один из быстрых известных универсальных алгоритмов сортировки массивов (в среднем O(n log n) обменов при упорядочении n элементов), хотя и имеющий ряд недостатков.

• выбрать элемент, называемый опорным.
• сравнить все остальные элементы с опорным, на основании сравнения разбить множество на три — «меньшие опорного», «равные» и «большие», расположить их в порядке меньшие-равные-большие.
• повторить рекурсивно для «меньших» и «больших».

Быстрая сортировка использует стратегию «разделяй и властвуй». Шаги алгоритма таковы:

1. Выбираем в массиве некоторый элемент, который будем называть опорным элементом. С точки зрения корректности алгоритма выбор опорного элемента небезразличен, т.к. можно подобрать пример, при котором алгоритм с выбором медианы в качестве опорного элемента будет выдавать неправильный ответ. Известные стратегии: выбирать постоянно один и тот же элемент, например, последний по положению; выбирать элемент со случайно выбранным индексом.
2. Операция разделения массива: реорганизуем массив таким образом, чтобы все элементы, меньшие или равные опорному элементу, оказались слева от него, а все элементы, большие опорного — справа от него. Обычный алгоритм операции:
   1. два индекса — l и r, приравниваются к минимальному и максимальному индексу разделяемого массива соответственно;
   2. вычисляется опорный элемент m;
   3. индекс l последовательно увеличивается до m или до тех пор, пока l-й элемент не превысит опорный;
   4. индекс r последовательно уменьшается до m или до тех пор, пока r-й элемент не окажется меньше опорного;
   5. если r = l — найдена середина массива — операция разделения закончена, оба индекса указывают на опорный элемент;
   6. если l < r — найденную пару элементов нужно обменять местами и продолжить операцию разделения с тех значений l и r, которые были достигнуты. Следует учесть, что если какая-либо граница (l или r) дошла до опорного элемента, то при обмене значение m изменяется на r или l соответственно.
3. Рекурсивно упорядочиваем подмассивы, лежащие слева и справа от опорного элемента.
4. Базой рекурсии являются наборы, состоящие из одного или двух элементов. Первый возвращается в исходном виде, во втором, при необходимости, сортировка сводится к перестановке двух элементов. Все такие отрезки уже упорядочены в процессе разделения.

Поскольку в каждой итерации (на каждом следующем уровне рекурсии) длина обрабатываемого отрезка массива уменьшается, по меньшей мере, на единицу, терминальная ветвь рекурсии будет достигнута всегда и обработка гарантированно завершится. Интересно, что Хоар разработал этот метод применительно к машинному переводу: дело в том, что в то время словарь хранился на магнитной ленте, и если упорядочить все слова в тексте, их переводы можно получить за один прогон ленты.

QuickSort является существенно улучшенным вариантом алгоритма сортировки с помощью прямого обмена (его варианты известны как «Пузырьковая сортировка» и «Шейкерная сортировка»), известного, в том числе, своей низкой эффективностью. Принципиальное отличие состоит в том, что в первую очередь меняются местами наиболее удалённые друг от друга элементы массива. Любопытный факт: улучшение самого неэффективного прямого метода сортировки дало в результате самый эффективный улучшенный метод.

• Лучший случай. Для этого алгоритма самый лучший случай — если в каждой итерации каждый из подмассивов делился бы на два равных по величине массива. В результате количество сравнений, делаемых быстрой сортировкой, было бы равно значению рекурсивного выражения CN = 2CN/2+N. Это дало бы наименьшее время сортировки.
• Среднее. Даёт в среднем O(n log n) обменов при упорядочении n элементов. В реальности именно такая ситуация обычно имеет место при случайном порядке элементов и выборе опорного элемента из середины массива либо случайно. На практике быстрая сортировка значительно быстрее, чем другие алгоритмы с оценкой O(n log n), по причине того, что внутренний цикл алгоритма может быть эффективно реализован почти на любой архитектуре. 2CN/2 покрывает расходы по сортировке двух полученных подмассивов; N — это стоимость обработки каждого элемента, используя один или другой указатель. Известно также, что примерное значение этого выражения равно CN = N lg N.
• Худший случай. Худшим случаем, очевидно, будет такой, при котором на каждом этапе массив будет разделяться на вырожденный подмассив из одного опорного элемента и на подмассив из всех остальных элементов. Такое может произойти, если в качестве опорного на каждом этапе будет выбран элемент либо наименьший, либо наибольший из всех обрабатываемых. Худший случай даёт O(n²) обменов, но количество обменов и, соответственно, время работы — это не самый большой его недостаток. Хуже то, что в таком случае глубина рекурсии при выполнении алгоритма достигнет n, что будет означать n-кратное сохранение адреса возврата и локальных переменных процедуры разделения массивов. Для больших значений n худший случай может привести к исчерпанию памяти во время работы алгоритма. Впрочем, на большинстве реальных данных можно найти решения, которые минимизируют вероятность того, что понадобится квадратичное время.

• При выборе опорного элемента из данного диапазона случайным образом худший случай становится очень маловероятным и ожидаемое время выполнения алгоритма сортировки — O(n log n).
• Во избежание достижения опасной глубины рекурсии в худшем случае (или при приближении к нему) возможна модификация алгоритма, устраняющая одну ветвь рекурсии: вместо того, чтобы после разделения массива вызывать рекурсивно процедуру разделения для обоих найденных подмассивов, рекурсивный вызов делается только для меньшего подмассива, а больший обрабатывается в цикле в пределах этого же вызова процедуры. С точки зрения эффективности в среднем случае разницы практически нет: накладные расходы на дополнительный рекурсивный вызов и на организацию сравнения длин подмассивов и цикла — примерно одного порядка. Зато глубина рекурсии ни при каких обстоятельствах не превысит lg2n, а в худшем случае она вообще будет не более 2 — вся обработка пройдёт в цикле первого уровня рекурсии.

Достоинства:

• Самый быстродействующий (на практике) из всех существующих алгоритмов обменной сортировки — быстрее него только специализированные алгоритмы, использующие специфику сортируемых данных.
• Простая реализация.
• Хорошо сочетается с алгоритмами кэширования и подкачки памяти.
• Хорошо работает на «почти отсортированных» данных — если исходный массив уже близок к отсортированному, алгоритм не приводит к излишним перестановкам уже стоящих в правильном порядке элементов.
• Существует очень эффективная разновидность (алгоритм Седжвика) для сортировки строк — сначала сравнение с опорным элементом только по нулевому символу строки, далее применение аналогичной сортировки для «большего» и «меньшего» массивов тоже по нулевому символу, и для «равного» массива по уже первому символу.

Недостатки:

• Сильно деградирует как по скорости (до O(n²)), так и по потреблению памяти, при неудачном выборе опорного элемента, который неизбежно случится при неудачных входных данных.
• Примитивные реализации легко приводят к ошибке переполнения стека, особенно в средах, где размер стека сильно ограничен (ядра ОС). Развитые же реализации требуют постоянного выделения все новых и новых небольших блоков памяти, что не оптимально.
• Неустойчив — если требуется устойчивость, приходится расширять ключ.

С учетом склонности qsort к деградации, сортировка Шелла на практике зачастую оказывается более удачным выбором для наборов до ~1000 элементов. Кроме того, сортировка Шелла не требует дополнительной памяти. Если же производительность важнее, чем экономия памяти, то как правило сортировка слиянием (merge sort), оказывается более удачным выбором, чем qsort, ввиду меньшей склонности к деградации, более оптимального паттерна выделения дополнительной памяти, и точно такой же скорости лучшего случая в O(n * log n).

Qsort в википедии

Лабырдин Сергей 11а 2009