关于插入排序的概述、原理及通用实现,这里不再赘述,可以参考之前的博文插入排序-排序-算法。这里主要参考算法第4版,给出插入排序的算法性能、证明以及根据建议做的改进。
命题:对于随机排列的长度为N且主键不重复的数组,平均情况下插入排序需要 N 2 4 \frac{N^2}4 4N2次比较以及 N 2 4 \frac{N^2}4 4N2次交换。最坏的情况下需要 N 2 2 \frac{N^2}{2} 2N2次比较和 N 2 2 \frac{N^2}{2} 2N2次交换,最好的情况下需要 N − 1 N-1 N−1次比较和0次交换。
证明:根据代码实现分析,最好的情况就是数组有序,只需要比较 N − 1 N-1 N−1次,交换0次;最坏的情况是数组为逆序,i从1开始,第一次循环比较1次,交换1次 。 i = 2 i=2 i=2时,比较2次,交换2次,知 i = N − 1 i=N-1 i=N−1。交换次数和比较次数相等,交换次数=比较次数 = 1 + 2 + … + N − 1 ≈ N 2 2 =1+2+\ldots+{N-1}\approx\frac{N^2}{2} =1+2+…+N−1≈2N2。(忽略低次幂项)
倒置指的是数组中两个顺序颠倒的元素。不如EXAMPLE中有11对倒置:E-A、X-A、X-M、…。
命题:插入排序需要的交换次数和数组中倒置的数量相同,需要的比较次数大于等于倒置的数量,小于等于倒置的数量加上数组大小在减一。
证明:每次交换改变2个倒置元素的位置,相当于减少了一堆倒置,当倒置数量为0时,排序完成。每次交换对应一次比较,且1到 N − 1 N-1 N−1之间的每个i都可能需要一次额外的比较。
要提高插入排序速度,只需要在内循环中将较大的元素右移而不总是交换2个元素,这样访问数组的次数就能减半。实现代码如下:
public static void sortImprove(Comparable[] a) {
for (int i = 1; i < a.length; i++) {
// 保存当前元素的值
Comparable k = a[i];
for (int j = i; j > 0; j--) {
// 当前元素逆序和有序元素依次比较
if (compare(a[j - 1], k)) {
// 当前元素小于等于前面元素,把较大的元素右移
a[j] = a[j-1];
// 如果比较到有序元素最左端,当前元素还是最小的,则把当前元素放置索引为0的位置,结束内循环
if (j == 1) {
a[0] = k;
break;
}
} else {
// 当前元素大于要比较的元素,吧当前元素插入当前位置(之前较大元素已经右移)
if (j != i) {
a[j] = k;
}
break;
}
}
}
}
性能比较:
性质:对于随机排序的无重复主键的数组,插入排序和优化后的插入排序的运行时间是平方级别,两者之比应该是一个较小的常数。
验证:使用SortCompare类来测试,
SortCompare源代码:
package com.gaogzhen.algorithm.test;
import com.gaogzhen.algorithm.sort.*;
import edu.princeton.cs.algs4.Heap;
import edu.princeton.cs.algs4.StdOut;
import edu.princeton.cs.algs4.StdRandom;
import edu.princeton.cs.algs4.Stopwatch;
/**
* 比较2个算法用时
*/
public class SortCompare {
/**
* 计算某个算法用时
* @param alg 算法名称
* @param a 随机数组
* @return 时间
*/
public static double time(String alg, Double[] a) {
Stopwatch timer = new Stopwatch();
if (alg.equals("Insertion")) Insertion.sort(a);
if (alg.equals("InsertionImprove")) Insertion.sortImprove(a);
if (alg.equals("Selection")) Selection.sort(a);
if (alg.equals("Shell")) Shell.sort(a);
if (alg.equals("Merge")) Merge.sort(a);
if (alg.equals("Quick")) Quick.sort(a);
if (alg.equals("Heap")) Heap.sort(a);
return timer.elapsedTime();
}
/**
* 测试T次长度为N的数组排序用时
* @param alg 算法名称
* @param N 数组长度
* @param T 测试次数
* @return 总用时
*/
public static double timeRandomInput(String alg, int N, int T) {
// 使用算法alg将T个长度为N的数组排序
double total = 0.0;
Double[] a = new Double[N];
for (int t = 0; t < T; t++) {
//进行一次测试(生成一个数组并排序
for (int i = 0; i < N; i++)
a[i] = StdRandom.uniform();
total += time(alg, a);
}
return total;
}
public static void main(String[] args) {
String alg1 = args[0];
String alg2 = args[1];
int N = Integer.parseInt(args[2]);
int T = Integer.parseInt(args[3]);
// 算法1总时间
double t1 = timeRandomInput(alg1, N, T);
// 算法2总时间
double t2 = timeRandomInput(alg2, N, T);
StdOut.printf("For %d random Doubles and %d times compare\n %s is ", N, T, alg1);
StdOut.printf("%.1f times faster then %s\n", t2/t1, alg2);
}
}
// 命令行输入
Insertion InsertionImprove 1000 100
SortCompare类源代码在选择排序和插入排序及比较-排序-算法第4版 以及文章最后面的源代码仓库中都有,测试结果如下:
For 1000 random Doubles and 100 times compare
Insertion is 0.8 times faster then InsertionImprove
QQ:806797785
仓库地址:https://gitee.com/gaogzhen/algorithm