--- comments: true --- # 11.8   桶排序 前述几种排序算法都属于“基于比较的排序算法”,它们通过比较元素间的大小来实现排序。此类排序算法的时间复杂度无法超越 $O(n \log n)$ 。接下来,我们将探讨几种“非比较排序算法”,它们的时间复杂度可以达到线性阶。 「桶排序 bucket sort」是分治策略的一个典型应用。它通过设置一些具有大小顺序的桶,每个桶对应一个数据范围,将数据平均分配到各个桶中;然后,在每个桶内部分别执行排序;最终按照桶的顺序将所有数据合并。 ## 11.8.1   算法流程 考虑一个长度为 $n$ 的数组,其元素是范围 $[0, 1)$ 内的浮点数。桶排序的流程如图 11-13 所示。 1. 初始化 $k$ 个桶,将 $n$ 个元素分配到 $k$ 个桶中。 2. 对每个桶分别执行排序(这里采用编程语言的内置排序函数)。 3. 按照桶从小到大的顺序合并结果。 ![桶排序算法流程](bucket_sort.assets/bucket_sort_overview.png){ class="animation-figure" }

图 11-13   桶排序算法流程

代码如下所示: === "Python" ```python title="bucket_sort.py" def bucket_sort(nums: list[float]): """桶排序""" # 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 k = len(nums) // 2 buckets = [[] for _ in range(k)] # 1. 将数组元素分配到各个桶中 for num in nums: # 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] i = int(num * k) # 将 num 添加进桶 i buckets[i].append(num) # 2. 对各个桶执行排序 for bucket in buckets: # 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 bucket.sort() # 3. 遍历桶合并结果 i = 0 for bucket in buckets: for num in bucket: nums[i] = num i += 1 ``` === "C++" ```cpp title="bucket_sort.cpp" /* 桶排序 */ void bucketSort(vector &nums) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 int k = nums.size() / 2; vector> buckets(k); // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (float num : nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] int i = num * k; // 将 num 添加进桶 bucket_idx buckets[i].push_back(num); } // 2. 对各个桶执行排序 for (vector &bucket : buckets) { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 sort(bucket.begin(), bucket.end()); } // 3. 遍历桶合并结果 int i = 0; for (vector &bucket : buckets) { for (float num : bucket) { nums[i++] = num; } } } ``` === "Java" ```java title="bucket_sort.java" /* 桶排序 */ void bucketSort(float[] nums) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 int k = nums.length / 2; List> buckets = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < k; i++) { buckets.add(new ArrayList<>()); } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (float num : nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] int i = (int) (num * k); // 将 num 添加进桶 i buckets.get(i).add(num); } // 2. 对各个桶执行排序 for (List bucket : buckets) { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 Collections.sort(bucket); } // 3. 遍历桶合并结果 int i = 0; for (List bucket : buckets) { for (float num : bucket) { nums[i++] = num; } } } ``` === "C#" ```csharp title="bucket_sort.cs" /* 桶排序 */ void BucketSort(float[] nums) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 int k = nums.Length / 2; List> buckets = []; for (int i = 0; i < k; i++) { buckets.Add([]); } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 foreach (float num in nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] int i = (int)(num * k); // 将 num 添加进桶 i buckets[i].Add(num); } // 2. 对各个桶执行排序 foreach (List bucket in buckets) { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 bucket.Sort(); } // 3. 遍历桶合并结果 int j = 0; foreach (List bucket in buckets) { foreach (float num in bucket) { nums[j++] = num; } } } ``` === "Go" ```go title="bucket_sort.go" /* 桶排序 */ func bucketSort(nums []float64) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 k := len(nums) / 2 buckets := make([][]float64, k) for i := 0; i < k; i++ { buckets[i] = make([]float64, 0) } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for _, num := range nums { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] i := int(num * float64(k)) // 将 num 添加进桶 i buckets[i] = append(buckets[i], num) } // 2. 对各个桶执行排序 for i := 0; i < k; i++ { // 使用内置切片排序函数,也可以替换成其他排序算法 sort.Float64s(buckets[i]) } // 3. 遍历桶合并结果 i := 0 for _, bucket := range buckets { for _, num := range bucket { nums[i] = num i++ } } } ``` === "Swift" ```swift title="bucket_sort.swift" /* 桶排序 */ func bucketSort(nums: inout [Double]) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 let k = nums.count / 2 var buckets = (0 ..< k).map { _ in [Double]() } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for num in nums { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] let i = Int(num * Double(k)) // 将 num 添加进桶 i buckets[i].append(num) } // 2. 对各个桶执行排序 for i in buckets.indices { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 buckets[i].sort() } // 3. 遍历桶合并结果 var i = nums.startIndex for bucket in buckets { for num in bucket { nums[i] = num i += 1 } } } ``` === "JS" ```javascript title="bucket_sort.js" /* 桶排序 */ function bucketSort(nums) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 const k = nums.length / 2; const buckets = []; for (let i = 0; i < k; i++) { buckets.push([]); } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (const num of nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] const i = Math.floor(num * k); // 将 num 添加进桶 i buckets[i].push(num); } // 2. 对各个桶执行排序 for (const bucket of buckets) { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 bucket.sort((a, b) => a - b); } // 3. 遍历桶合并结果 let i = 0; for (const bucket of buckets) { for (const num of bucket) { nums[i++] = num; } } } ``` === "TS" ```typescript title="bucket_sort.ts" /* 桶排序 */ function bucketSort(nums: number[]): void { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 const k = nums.length / 2; const buckets: number[][] = []; for (let i = 0; i < k; i++) { buckets.push([]); } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (const num of nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] const i = Math.floor(num * k); // 将 num 添加进桶 i buckets[i].push(num); } // 2. 对各个桶执行排序 for (const bucket of buckets) { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 bucket.sort((a, b) => a - b); } // 3. 遍历桶合并结果 let i = 0; for (const bucket of buckets) { for (const num of bucket) { nums[i++] = num; } } } ``` === "Dart" ```dart title="bucket_sort.dart" /* 桶排序 */ void bucketSort(List nums) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 int k = nums.length ~/ 2; List> buckets = List.generate(k, (index) => []); // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (double _num in nums) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 _num * k 映射到索引范围 [0, k-1] int i = (_num * k).toInt(); // 将 _num 添加进桶 bucket_idx buckets[i].add(_num); } // 2. 对各个桶执行排序 for (List bucket in buckets) { bucket.sort(); } // 3. 遍历桶合并结果 int i = 0; for (List bucket in buckets) { for (double _num in bucket) { nums[i++] = _num; } } } ``` === "Rust" ```rust title="bucket_sort.rs" /* 桶排序 */ fn bucket_sort(nums: &mut [f64]) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 let k = nums.len() / 2; let mut buckets = vec![vec![]; k]; // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for &mut num in &mut *nums { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] let i = (num * k as f64) as usize; // 将 num 添加进桶 i buckets[i].push(num); } // 2. 对各个桶执行排序 for bucket in &mut buckets { // 使用内置排序函数,也可以替换成其他排序算法 bucket.sort_by(|a, b| a.partial_cmp(b).unwrap()); } // 3. 遍历桶合并结果 let mut i = 0; for bucket in &mut buckets { for &mut num in bucket { nums[i] = num; i += 1; } } } ``` === "C" ```c title="bucket_sort.c" /* 桶排序 */ void bucketSort(float nums[], int size) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 int k = size / 2; float **buckets = calloc(k, sizeof(float *)); for (int i = 0; i < k; i++) { // 每个桶最多可以分配 k 个元素 buckets[i] = calloc(ARRAY_SIZE, sizeof(float)); } // 1. 将数组元素分配到各个桶中 for (int i = 0; i < size; i++) { // 输入数据范围为 [0, 1),使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1] int bucket_idx = nums[i] * k; int j = 0; // 如果桶中有数据且数据小于当前值 nums[i], 要将其放到当前桶的后面,相当于 cpp 中的 push_back while (buckets[bucket_idx][j] > 0 && buckets[bucket_idx][j] < nums[i]) { j++; } float temp = nums[i]; while (j < ARRAY_SIZE && buckets[bucket_idx][j] > 0) { swap(&temp, &buckets[bucket_idx][j]); j++; } buckets[bucket_idx][j] = temp; } // 2. 对各个桶执行排序 for (int i = 0; i < k; i++) { qsort(buckets[i], ARRAY_SIZE, sizeof(float), compare_float); } // 3. 遍历桶合并结果 for (int i = 0, j = 0; j < k; j++) { for (int l = 0; l < ARRAY_SIZE; l++) { if (buckets[j][l] > 0) { nums[i++] = buckets[j][l]; } } } // 释放上述分配的内存 for (int i = 0; i < k; i++) { free(buckets[i]); } free(buckets); } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="bucket_sort.kt" /* 桶排序 */ fun bucketSort(nums: FloatArray) { // 初始化 k = n/2 个桶,预期向每个桶分配 2 个元素 val k = nums.size / 2 val buckets = ArrayList>() for (i in 0.. ## 11.8.2   算法特性 桶排序适用于处理体量很大的数据。例如,输入数据包含 100 万个元素,由于空间限制,系统内存无法一次性加载所有数据。此时,可以将数据分成 1000 个桶,然后分别对每个桶进行排序,最后将结果合并。 - **时间复杂度为 $O(n + k)$** :假设元素在各个桶内平均分布,那么每个桶内的元素数量为 $\frac{n}{k}$ 。假设排序单个桶使用 $O(\frac{n}{k} \log\frac{n}{k})$ 时间,则排序所有桶使用 $O(n \log\frac{n}{k})$ 时间。**当桶数量 $k$ 比较大时,时间复杂度则趋向于 $O(n)$** 。合并结果时需要遍历所有桶和元素,花费 $O(n + k)$ 时间。 - **自适应排序**:在最差情况下,所有数据被分配到一个桶中,且排序该桶使用 $O(n^2)$ 时间。 - **空间复杂度为 $O(n + k)$、非原地排序**:需要借助 $k$ 个桶和总共 $n$ 个元素的额外空间。 - 桶排序是否稳定取决于排序桶内元素的算法是否稳定。 ## 11.8.3   如何实现平均分配 桶排序的时间复杂度理论上可以达到 $O(n)$ ,**关键在于将元素均匀分配到各个桶中**,因为实际数据往往不是均匀分布的。例如,我们想要将淘宝上的所有商品按价格范围平均分配到 10 个桶中,但商品价格分布不均,低于 100 元的非常多,高于 1000 元的非常少。若将价格区间平均划分为 10 个,各个桶中的商品数量差距会非常大。 为实现平均分配,我们可以先设定一条大致的分界线,将数据粗略地分到 3 个桶中。**分配完毕后,再将商品较多的桶继续划分为 3 个桶,直至所有桶中的元素数量大致相等**。 如图 11-14 所示,这种方法本质上是创建一棵递归树,目标是让叶节点的值尽可能平均。当然,不一定要每轮将数据划分为 3 个桶,具体划分方式可根据数据特点灵活选择。 ![递归划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_recursively.png){ class="animation-figure" }

图 11-14   递归划分桶

如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据数据概率分布设置每个桶的价格分界线**。值得注意的是,数据分布并不一定需要特意统计,也可以根据数据特点采用某种概率模型进行近似。 如图 11-15 所示,我们假设商品价格服从正态分布,这样就可以合理地设定价格区间,从而将商品平均分配到各个桶中。 ![根据概率分布划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_distribution.png){ class="animation-figure" }

图 11-15   根据概率分布划分桶