使用 Go 實現快速排序

快速排序(quick sort)號稱是二十世紀最偉大的十大演算法之一(The Best of the 20th Century: Editors Name Top 10 Algorithms), 但是快速排序也是最不容易實現的排序演算法之一 ()。雖然它的原理非常的簡單，但實現起來很容易出錯。 也曾因為快排導致腥風血雨甚至網站攻擊事件。

快速排序由C. A. R. Hoare在1962年提出。它的基本思想是：通過一趟排序將要排序的資料分割成獨立的兩部分，其中一部分的所有資料都比另外一部分的所有資料都要小，然後再按此方法對這兩部分資料分別進行快速排序，整個排序過程可以遞迴進行，以此達到整個資料變成有序序列。

分治法：將問題分解為若干個規模更小但結構與原問題相似的子問題。遞迴地解這些子問題，然後將這些子問題的解組合為原問題的解。

利用分治法可將快速排序的分為三步：

• 在資料集之中，選擇一個元素作為”基準”（pivot）。
• 所有小於”基準”的元素，都移到”基準”的左邊；所有大於”基準”的元素，都移到”基準”的右邊。這個操作稱為分區 (partition) 操作，分區操作結束後，基準元素所處的位置就是最終排序後它的位置。
• 對”基準”左邊和右邊的兩個子集，不斷重複第一步和第二步，直到所有子集只剩下一個元素為止。

快速排序平均時間複雜度為O(n log n),最壞情況為O(n2)，不穩定排序。

快速排序一般實現為原地排序(in-place),因為非原地排序會設計到大量的容器建立和對象複製。

本文實現了兩種快速排序，一種是單線程的快速排序,一種是一定數量的goroutine並行的快速排序。

同時也增加了標準庫排序演算法和timsort演算法的比較。

下面是演算法實現：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106

package mainimport ("fmt""math/rand""sort""time""github.com/psilva261/timsort")func partition(a []int, lo, hi int) int {pivot := a[hi]i := lo - 1for j := lo; j < hi; j++ {if a[j] < pivot {i++a[j], a[i] = a[i], a[j]}}a[i+1], a[hi] = a[hi], a[i+1]return i + 1}func quickSort(a []int, lo, hi int) {if lo >= hi {return}p := partition(a, lo, hi)quickSort(a, lo, p-1)quickSort(a, p+1, hi)}func quickSort_go(a []int, lo, hi int, done chan struct{}, depth int) {if lo >= hi {done <- struct{}{}return}depth--p := partition(a, lo, hi)if depth > 0 {childDone := make(chan struct{}, 2)go quickSort_go(a, lo, p-1, childDone, depth)go quickSort_go(a, p+1, hi, childDone, depth)<-childDone<-childDone} else {quickSort(a, lo, p-1)quickSort(a, p+1, hi)}done <- struct{}{}}func main() {rand.Seed(time.Now().UnixNano())testData1, testData2, testData3, testData4 := make([]int, 0, 100000000), make([]int, 0, 100000000), make([]int, 0, 100000000), make([]int, 0, 100000000)times := 100000000for i := 0; i < times; i++ {val := rand.Intn(20000000)testData1 = append(testData1, val)testData2 = append(testData2, val)testData3 = append(testData3, val)testData4 = append(testData4, val)}start := time.Now()quickSort(testData1, 0, len(testData1)-1)fmt.Println("single goroutine: ", time.Now().Sub(start))if !sort.IntsAreSorted(testData1) {fmt.Println("wrong quick_sort implementation")}done := make(chan struct{})start = time.Now()go quickSort_go(testData2, 0, len(testData2)-1, done, 5)<-donefmt.Println("multiple goroutine: ", time.Now().Sub(start))if !sort.IntsAreSorted(testData2) {fmt.Println("wrong quickSort_go implementation")}start = time.Now()sort.Ints(testData3)fmt.Println("std lib: ", time.Now().Sub(start))if !sort.IntsAreSorted(testData3) {fmt.Println("wrong std lib implementation")}start = time.Now()timsort.Ints(testData4, func(a, b int) bool { return a <= b })fmt.Println("timsort: ", time.Now().Sub(start))if !sort.IntsAreSorted(testData4) {fmt.Println("wrong timsort implementation")}}