Быстрая сортировка (англ. quicksort), часто называемая qsort по имени реализации в стандартной библиотеке языка Си — широко известный алгоритм сортировки, разработанный английским информатиком Чарльзом Хоаром в 1960 году. Один из быстрых известных универсальных алгоритмов сортировки массивов (в среднем O(n log n) обменов при упорядочении n элементов), хотя и имеющий ряд недостатков.

Краткое описание алгоритма

• 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».

Алгоритм

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 безразличен. С точки зрения повышения эффективности алгоритма выбираться должна медиана, но без дополнительных сведений о сортируемых данных её обычно невозможно получить. Известные стратегии: выбирать постоянно один и тот же элемент, например, средний или 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 индекс опорного элемента m.
   3. Индекс l последовательно увеличивается до m до тех пор, пока l-й элемент не превысит опорный.
   4. Индекс r последовательно уменьшается до m до тех пор, пока r-й элемент не окажется меньше либо равен опорному.
   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-й или l-й элемент 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.

  //алгоритм на языке java 
  public static void qSort(int[] A, int low, int high) {
      int i=low;
      int j=high;
      int x=A[(low+high)/2];
      do {
          while(A[i]<x) ++i;
          while(A[j]>x) --j;
          if(i<=j){
              int temp=A[i];
              A[i]=A[j];
              A[j]=temp;
              i++; j--;
          }
      } while(i<=j);
 
      if(low<j) qSort(A,low,j);
      if(i<high) qSort(A,i,high);
  }

Оценка эффективности

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 после каждого прохода элементы делятся на две независимые группы. Любопытный факт: улучшение самого неэффективного прямого метода сортировки дало в результате 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 C_N = 2C_N/2+N, что в явном выражении дает примерно N lg N сравнений. 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 (в случае, когда обмены являются более затратной операцией, чем сравнения) быстрая сортировка значительно быстрее, чем другие алгоритмы с оценкой O(n lg n), по причине того, что внутренний цикл алгоритма может быть эффективно реализован почти на любой архитектуре. 2C_N/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 C_N = 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.

Улучшения

• При выборе опорного элемента из данного диапазона случайным образом худший случай становится очень маловероятным и ожидаемое время выполнения алгоритма сортировки — O(n lg n).
• Выбирать опорным элементом средний из трех (первого, среднего и последнего элементов). Такой выбор также направлен против худшего случая.
• 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 log₂n, а в худшем случае вырожденного разделения она вообще будет не более 2 — вся обработка пройдёт в цикле первого уровня рекурсии.
• Разбивать массив не на две, а на три части (см. Dual Pivot Quicksort).

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Один из самых быстродействующих (на практике) из алгоритмов внутренней сортировки общего назначения.
• Прост в реализации.
• Требует лишь дополнительной памяти для своей работы. (Не улучшенный рекурсивный алгоритм в худшем случае памяти)
• Хорошо сочетается с механизмами кэширования и виртуальной памяти.
• Существует эффективная модификация (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 по скорости (до ) при неудачных выборах опорных элементов, что может случиться при неудачных входных данных. Этого можно избежать, используя такие модификации алгоритма, как Introsort, или вероятностно, выбирая опорный элемент случайно, а не фиксированным образом.
• Наивная реализация алгоритма может привести к ошибке переполнения стека, так как ей может потребоваться сделать вложенных рекурсивных вызовов. В улучшенных реализациях, в которых рекурсивный вызов происходит только для сортировки меньшей из двух частей массива, глубина рекурсии гарантированно не превысит .
• Неустойчив — если требуется устойчивость, приходится расширять ключ.

Примечания

Литература

• Ананий В. Левитин Глава 4. Метод декомпозиции: Быстрая сортировка // Алгоритмы: введение в разработку и анализ = Introduction to The Design and Analysis of Algorithms. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 174-179. — ISBN 5-8459-0987-2
• Кормен, Т., Лейзерсон, Ч., Ривест, Р., Штайн, К. Глава 7. Быстрая сортировка // Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Под ред. И. В. Красикова. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2005. — С. 198-219. — ISBN 5-8459-0857-4

Ссылки

• Анимированное сравнение алгоритмов сортировки
• Визуализаторы: [1], [2], [3]