快速排序 (Quick Sort)

算法原理

快速排序使用分治法（Divide and conquer）策略来把一个序列分为较小和较大的两个子序列，然后递归地排序两个子序列。基本思想是：通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。

算法步骤

1. 从数列中挑出一个元素，称为"基准"（pivot）
2. 重新排序数列，所有比基准值小的元素摆放在基准前面，所有比基准值大的元素摆在基准后面（相同的数可以到任何一边）
3. 递归地把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序

代码实现

public class QuickSort {
    public static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low < high) {
            // 获取分区索引
            int pi = partition(arr, low, high);
            
            // 递归排序基准元素之前的子数组
            quickSort(arr, low, pi - 1);
            
            // 递归排序基准元素之后的子数组
            quickSort(arr, pi + 1, high);
        }
    }
    
    // 分区函数
    private static int partition(int[] arr, int low, int high) {
        int pivot = arr[high]; // 选择最后一个元素作为基准
        int i = (low - 1); // 较小元素的索引
        
        for (int j = low; j < high; j++) {
            // 如果当前元素小于或等于基准
            if (arr[j] <= pivot) {
                i++;
                
                // 交换元素
                int temp = arr[i];
                arr[i] = arr[j];
                arr[j] = temp;
            }
        }
        
        // 交换基准元素到正确位置
        int temp = arr[i + 1];
        arr[i + 1] = arr[high];
        arr[high] = temp;
        
        return i + 1;
    }

    // 测试方法
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
        System.out.println("排序前:");
        printArray(arr);

        quickSort(arr, 0, arr.length - 1);

        System.out.println("排序后:");
        printArray(arr);
    }

    static void printArray(int[] arr) {
        for (int value : arr) {
            System.out.print(value + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

应用场景

• 大规模数据排序：在实际应用中，快速排序通常比其他O(n log n)算法更快
• 系统排序：许多编程语言的标准库中使用快速排序或其变种作为排序算法
• 内存受限环境：原地排序特性使其适用于内存受限的环境

优缺点