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排序 - 基数排序(Radix Sort)详解

2021年3月26日
大约 8 分钟

排序 - 基数排序(Radix Sort)详解

基数排序介绍

基数排序(Radix Sort) 是桶排序的扩展，它的基本思想是：将整数按位数切割成不同的数字，然后按每个位数分别比较。

具体做法是：

  • 将所有待比较数值统一为同样的数位长度，数位较短的数前面补零。
  • 然后，从最低位开始，依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后, 数列就变成一个有序序列。

基数排序说明

通过基数排序对数组{53, 3, 542, 748, 14, 214, 154, 63, 616}，它的示意图如下：

图

在上图中，首先将所有待比较树脂统一为统一位数长度，接着从最低位开始，依次进行排序。

  1. 按照个位数进行排序。
  2. 按照十位数进行排序。
  3. 按照百位数进行排序。

排序后，数列就变成了一个有序序列。

基数排序代码

/*
 * 获取数组a中最大值
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
int get_max(int a[], int n)
{
    int i, max;

    max = a[0];
    for (i = 1; i < n; i++)
        if (a[i] > max)
            max = a[i];
    return max;
}

/*
 * 对数组按照"某个位数"进行排序(桶排序)
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 *     exp -- 指数。对数组a按照该指数进行排序。
 * 例如，对于数组a={50, 3, 542, 745, 2014, 154, 63, 616}；
 *    (01) 当exp=1表示按照"个位"对数组a进行排序
 *    (02) 当exp=10表示按照"十位"对数组a进行排序
 *    (03) 当exp=100表示按照"百位"对数组a进行排序
 *    ...
 */
void count_sort(int a[], int n, int exp)
{
    int output[n];             // 存储"被排序数据"的临时数组
    int i, buckets[10] = {0};

    // 将数据出现的次数存储在buckets[]中
    for (i = 0; i < n; i++)
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]++;

    // 更改buckets[i]。目的是让更改后的buckets[i]的值，是该数据在output[]中的位置。
    for (i = 1; i < 10; i++)
        buckets[i] += buckets[i - 1];

    // 将数据存储到临时数组output[]中
    for (i = n - 1; i >= 0; i--)
    {
        output[buckets[ (a[i]/exp)%10 ] - 1] = a[i];
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]--;
    }

    // 将排序好的数据赋值给a[]
    for (i = 0; i < n; i++)
        a[i] = output[i];
}

/*
 * 基数排序
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
void radix_sort(int a[], int n)
{
    int exp;    // 指数。当对数组按各位进行排序时，exp=1；按十位进行排序时，exp=10；...
    int max = get_max(a, n);    // 数组a中的最大值

    // 从个位开始，对数组a按"指数"进行排序
    for (exp = 1; max/exp > 0; exp *= 10)
        count_sort(a, n, exp);
}

radix_sort(a, n)的作用是对数组a进行排序。

  1. 首先通过get_max(a)获取数组a中的最大值。获取最大值的目的是计算出数组a的最大指数。
  2. 获取到数组a中的最大指数之后，再从指数1开始，根据位数对数组a中的元素进行排序。排序的时候采用了桶排序。
  3. count_sort(a, n, exp)的作用是对数组a按照指数exp进行排序。

下面简单介绍一下对数组{53, 3, 542, 748, 14, 214, 154, 63, 616}按个位数进行排序的流程。

  • 个位的数值范围是[0,10)。因此，参见桶数组buckets[]，将数组按照个位数值添加到桶中。

图

  • 接着是根据桶数组buckets[]来进行排序。假设将排序后的数组存在output[]中；找出output[]和buckets[]之间的联系就可以对数据进行排序了。

图

基数排序实现

基数排序C实现

实现代码(radix_sort.c)

#include <stdio.h>

// 数组长度
#define LENGTH(array) ( (sizeof(array)) / (sizeof(array[0])) )

/*
 * 获取数组a中最大值
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
int get_max(int a[], int n)
{
    int i, max;

    max = a[0];
    for (i = 1; i < n; i++)
        if (a[i] > max)
            max = a[i];
    return max;
}

/*
 * 对数组按照"某个位数"进行排序(桶排序)
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 *     exp -- 指数。对数组a按照该指数进行排序。
 * 例如，对于数组a={50, 3, 542, 745, 2014, 154, 63, 616}；
 *    (01) 当exp=1表示按照"个位"对数组a进行排序
 *    (02) 当exp=10表示按照"十位"对数组a进行排序
 *    (03) 当exp=100表示按照"百位"对数组a进行排序
 *    ...
 */
void count_sort(int a[], int n, int exp)
{
    int output[n];             // 存储"被排序数据"的临时数组
    int i, buckets[10] = {0};

    // 将数据出现的次数存储在buckets[]中
    for (i = 0; i < n; i++)
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]++;

    // 更改buckets[i]。目的是让更改后的buckets[i]的值，是该数据在output[]中的位置。
    for (i = 1; i < 10; i++)
        buckets[i] += buckets[i - 1];

    // 将数据存储到临时数组output[]中
    for (i = n - 1; i >= 0; i--)
    {
        output[buckets[ (a[i]/exp)%10 ] - 1] = a[i];
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]--;
    }

    // 将排序好的数据赋值给a[]
    for (i = 0; i < n; i++)
        a[i] = output[i];
}

/*
 * 基数排序
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
void radix_sort(int a[], int n)
{
    int exp;    // 指数。当对数组按各位进行排序时，exp=1；按十位进行排序时，exp=10；...
    int max = get_max(a, n);    // 数组a中的最大值

    // 从个位开始，对数组a按"指数"进行排序
    for (exp = 1; max/exp > 0; exp *= 10)
        count_sort(a, n, exp);
}

void main()
{
    int i;
    int a[] = {53, 3, 542, 748, 14, 214, 154, 63, 616};
    int ilen = LENGTH(a);

    printf("before sort:");
    for (i=0; i<ilen; i++)
        printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");

    radix_sort(a, ilen);

    printf("after  sort:");
    for (i=0; i<ilen; i++)
        printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");
}

基数排序C++实现

实现代码(RadixSort.cpp)

#include<iostream>
using namespace std;

/*
 * 获取数组a中最大值
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
int getMax(int a[], int n)
{
    int i, max;

    max = a[0];
    for (i = 1; i < n; i++)
        if (a[i] > max)
            max = a[i];
    return max;
}

/*
 * 对数组按照"某个位数"进行排序(桶排序)
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 *     exp -- 指数。对数组a按照该指数进行排序。
 * 例如，对于数组a={50, 3, 542, 745, 2014, 154, 63, 616}；
 *    (01) 当exp=1表示按照"个位"对数组a进行排序
 *    (02) 当exp=10表示按照"十位"对数组a进行排序
 *    (03) 当exp=100表示按照"百位"对数组a进行排序
 *    ...
 */
void countSort(int a[], int n, int exp)
{
    int output[n];             // 存储"被排序数据"的临时数组
    int i, buckets[10] = {0};

    // 将数据出现的次数存储在buckets[]中
    for (i = 0; i < n; i++)
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]++;

    // 更改buckets[i]。目的是让更改后的buckets[i]的值，是该数据在output[]中的位置。
    for (i = 1; i < 10; i++)
        buckets[i] += buckets[i - 1];

    // 将数据存储到临时数组output[]中
    for (i = n - 1; i >= 0; i--)
    {
        output[buckets[ (a[i]/exp)%10 ] - 1] = a[i];
        buckets[ (a[i]/exp)%10 ]--;
    }

    // 将排序好的数据赋值给a[]
    for (i = 0; i < n; i++)
        a[i] = output[i];
}

/*
 * 基数排序
 * 参数说明：
 *     a -- 数组
 *     n -- 数组长度
 */
void radixSort(int a[], int n)
{
    int exp;    // 指数。当对数组按各位进行排序时，exp=1；按十位进行排序时，exp=10；...
    int max = getMax(a, n);    // 数组a中的最大值

    // 从个位开始，对数组a按"指数"进行排序
    for (exp = 1; max/exp > 0; exp *= 10)
        countSort(a, n, exp);
}

int main()
{
    int i;
    int a[] = {53, 3, 542, 748, 14, 214, 154, 63, 616};
    int ilen = (sizeof(a)) / (sizeof(a[0]));

    cout << "before sort:";
    for (i=0; i<ilen; i++)
        cout << a[i] << " ";
    cout << endl;

    radixSort(a, ilen);    // 基数排序

    cout << "after  sort:";
    for (i=0; i<ilen; i++)
        cout << a[i] << " ";
    cout << endl;

    return 0;
}

基数排序Java实现

实现代码(RadixSort.java)

public class RadixSort {

    /*
     * 获取数组a中最大值
     * 参数说明：
     *     a -- 数组
     *     n -- 数组长度
     */
    private static int getMax(int[] a) {
        int max;

        max = a[0];
        for (int i = 1; i < a.length; i++)
            if (a[i] > max)
                max = a[i];

        return max;
    }

    /*
     * 对数组按照"某个位数"进行排序(桶排序)
     * 参数说明：
     *     a -- 数组
     *     exp -- 指数。对数组a按照该指数进行排序。
     * 例如，对于数组a={50, 3, 542, 745, 2014, 154, 63, 616}；
     *    (01) 当exp=1表示按照"个位"对数组a进行排序
     *    (02) 当exp=10表示按照"十位"对数组a进行排序
     *    (03) 当exp=100表示按照"百位"对数组a进行排序
     *    ...
     */
    private static void countSort(int[] a, int exp) {
        //int output[a.length];    // 存储"被排序数据"的临时数组
        int[] output = new int[a.length];    // 存储"被排序数据"的临时数组
        int[] buckets = new int[10];

        // 将数据出现的次数存储在buckets[]中
        for (int i = 0; i < a.length; i++)
            buckets[ (a[i]/exp)%10 ]++;

        // 更改buckets[i]。目的是让更改后的buckets[i]的值，是该数据在output[]中的位置。
        for (int i = 1; i < 10; i++)
            buckets[i] += buckets[i - 1];

        // 将数据存储到临时数组output[]中
        for (int i = a.length - 1; i >= 0; i--) {
            output[buckets[ (a[i]/exp)%10 ] - 1] = a[i];
            buckets[ (a[i]/exp)%10 ]--;
        }

        // 将排序好的数据赋值给a[]
        for (int i = 0; i < a.length; i++)
            a[i] = output[i];

        output = null;
        buckets = null;
    }

    /*
     * 基数排序
     * 参数说明：
     *     a -- 数组
     */
    public static void radixSort(int[] a) {
        int exp;    // 指数。当对数组按各位进行排序时，exp=1；按十位进行排序时，exp=10；...
        int max = getMax(a);    // 数组a中的最大值

        // 从个位开始，对数组a按"指数"进行排序
        for (exp = 1; max/exp > 0; exp *= 10)
            countSort(a, exp);
    }

    public static void main(String[] args) {
        int i;
        int a[] = {53, 3, 542, 748, 14, 214, 154, 63, 616};

        System.out.printf("before sort:");
        for (i=0; i<a.length; i++)
            System.out.printf("%d ", a[i]);
        System.out.printf("\n");

        radixSort(a);    // 基数排序

        System.out.printf("after  sort:");
        for (i=0; i<a.length; i++)
            System.out.printf("%d ", a[i]);
        System.out.printf("\n");
    }
}

上面3种实现的原理和输出结果都是一样的。下面是它们的输出结果：

before sort:53 3 542 748 14 214 154 63 616
after  sort:3 14 53 63 154 214 542 616 748

引用资料

  • https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3603669.html
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