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# 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 n) {
int k = n / 2; // 初始化 k = n/2 个桶
int *sizes = malloc(k * sizeof(int)); // 记录每个桶的大小
float **buckets = malloc(k * sizeof(float *)); // 动态数组的数组(桶)
for (int i = 0; i < k; ++i) {
// 为每个桶预分配足够的空间
buckets[i] = (float *)malloc(n * sizeof(float));
sizes[i] = 0;
}
// 1. 将数组元素分配到各个桶中
for (int i = 0; i < n; ++i) {
int idx = (int)(nums[i] * k);
buckets[idx][sizes[idx]++] = nums[i];
}
// 2. 对各个桶执行排序
for (int i = 0; i < k; ++i) {
qsort(buckets[i], sizes[i], sizeof(float), compare);
}
// 3. 合并排序后的桶
int idx = 0;
for (int i = 0; i < k; ++i) {
for (int j = 0; j < sizes[i]; ++j) {
nums[idx++] = buckets[i][j];
}
// 释放内存
free(buckets[i]);
}
}
```
=== "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 = mutableListOf>()
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