第 4 章　快速排序

本章内容

• 学习分而治之。有时候，你可能会遇到使用任何已知的算法都无法解决的问题。优秀的算法学家遇到这种问题时，不会就此放弃，而是尝试使用掌握的各种问题解决方法来找出解决方案。分而治之是你学习的第一种通用的问题解决方法。

• 学习快速排序——一种常用的优雅的排序算法。快速排序使用分而治之的策略。

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前一章深入介绍了递归，本章的重点是使用学到的新技能来解决问题。我们将探索分而治之 （divide and conquer，D&C）——一种著名的递归式问题解决方法。

本书将深入算法的核心。只能解决一种问题的算法毕竟用处有限，而D&C提供了解决问题的思路，是另一个可供你使用的工具。面对新问题时，你不再束手无策，而是自问：“使用分而治之能解决吗？”

在本章末尾，你将学习第一个重要的D&C算法——快速排序。快速排序是一种排序算法，速度比第2章介绍的选择排序快得多，实属优雅代码的典范。

4.1　分而治之

D&C并不那么容易掌握，我将通过三个示例来介绍。首先，介绍一个直观的示例；然后，介绍一个代码示例，它不那么好看，但可能更容易理解；最后，详细介绍快速排序——一种使用D&C的排序算法。

假设你是农场主，有一小块土地。

你要将这块地均匀地分成方块，且分出的方块要尽可能大。显然，下面的分法都不符合要求。

如何将一块地均匀地分成方块，并确保分出的方块是最大的呢？使用D&C策略！D&C算法是递归的。使用D&C解决问题的过程包括两个步骤。

(1) 找出基线条件，这种条件必须尽可能简单。

(2) 不断将问题分解（或者说缩小规模），直到符合基线条件。

下面就来使用D&C找出前述问题的解决方案。可你能使用的最大方块有多大呢？

首先，找出基线条件。最容易处理的情况是，一条边的长度是另一条边的整数倍。

如果一边长25 m，另一边长50 m，那么可使用的最大方块为 25 m×25 m。换言之，可以将这块地分成两个这样的方块。

现在需要找出递归条件，这正是D&C的用武之地。根据D&C的定义，每次递归调用都必须缩小问题的规模。如何缩小前述问题的规模呢？我们首先找出这块地可容纳的最大方块。

你可以从这块地中划出两个640 m×640 m的方块，同时余下一小块地。现在是顿悟时刻：何不对余下的那一小块地使用相同的算法呢？

最初要划分的土地尺寸为1680 m×640 m，而现在要划分的土地更小，为640 m×400 m。适用于这小块地的最大方块，也是适用于整块地的最大方块 。换言之，你将均匀划分1680 m×640 m土地的问题，简化成了均匀划分640 m×400 m土地的问题！

欧几里得算法

前面说“适用于这小块地的最大方块，也是适用于整块地的最大方块”，如果你觉得这一点不好理解，也不用担心。这确实不好理解，但遗憾的是，要证明这一点，需要的篇幅有点长，在本书中无法这样做，因此你只能选择相信这种说法是正确的。如果你想搞明白其中的原因，可参阅欧几里得算法。可汗学院很清楚地阐述了这种算法，网址为https://www.khanacademy.org/computing/computer-science/ryptography/modarithmetic/a/the-euclidean-algorithm 。

下面再次使用同样的算法。对于640 m × 400 m的土地，可从中划出的最大方块为400 m × 400 m。

这将余下一块更小的土地，其尺寸为400 m × 240 m。

你可从这块土地中划出最大的方块，余下一块更小的土地，其尺寸为240 m × 160 m。

接下来，从这块土地中划出最大的方块，余下一块更小 的土地。

余下的这块土地满足基线条件，因为160是80的整数倍。将这块土地分成两个方块后，将不会余下任何土地！

因此，对于最初的那片土地，适用的最大方块为80 m× 80 m。

这里重申一下D&C的工作原理：

(1) 找出简单的基线条件；

(2) 确定如何缩小问题的规模，使其符合基线条件。

D&C并非可用于解决问题的算法，而是一种解决问题的思路。我们再来看一个例子。

给定一个数字数组。

你需要将这些数字相加，并返回结果。使用循环很容易完成这种任务。

def sum(arr):
  total = 0
  for x in arr:
    total += x
  return total

print sum([1, 2, 3, 4])

但如何使用递归函数来完成这种任务呢？

第一步 ：找出基线条件。最简单的数组什么样呢？请想想这个问题，再接着往下读。如果数组不包含任何元素或只包含一个元素，计算总和将非常容易。

因此这就是基线条件。

第二步 ：每次递归调用都必须离空数组更近一步。如何缩小问题的规模呢？下面是一种办法。

这与下面的版本等效。

这两个版本的结果都为12，但在第二个版本中，给函数sum 传递的数组更短。换言之，这缩小了问题的规模 ！

函数sum 的工作原理类似于下面这样。

这个函数的运行过程如下。

别忘了，递归记录了状态。

提示

编写涉及数组的递归函数时，基线条件通常是数组为空或只包含一个元素。陷入困境时，请检查基线条件是不是这样的。

　

函数式编程一瞥

你可能想，既然使用循环可轻松地完成任务，为何还要使用递归方式呢？看看函数式编程你就明白了！诸如Haskell等函数式编程语言没有循环，因此你只能使用递归来编写这样的函数。如果你对递归有深入的认识，函数式编程语言学习起来将更容易。例如，使用Haskell时，你可能这样编写函数sum 。

sum [] = 0  ←---------------------基线条件
sum (x:xs) = x + (sum xs)  ←------递归条件

注意，这就像是你有函数的两个定义。符合基线条件时运行第一个定义，符合递归条件时运行第二个定义。也可以使用Haskell语言中的if 语句来编写这个函数。

sum arr = if arr == []
            then 0
            else (head arr) + (sum (tail arr))

但前一个版本更容易理解。Haskell大量使用了递归，因此它提供了各种方便实现递归的语法。如果你喜欢递归或想学习一门新语言，可以研究一下Haskell。

练习

4.1 　请编写前述sum 函数的代码。

4.2 　编写一个递归函数来计算列表包含的元素数。

4.3 　找出列表中最大的数字。

4.4 　还记得第1章介绍的二分查找吗？它也是一种分而治之算法。你能找出二分查找算法的基线条件和递归条件吗？

4.2　快速排序

快速排序是一种常用的排序算法，比选择排序快得多。例如，C语言标准库中的函数qsort 实现的就是快速排序。快速排序也使用了D&C。

下面来使用快速排序对数组进行排序。对排序算法来说，最简单的数组什么样呢？还记得前一节的“提示”吗？就是根本不需要排序的数组。

因此，基线条件为数组为空或只包含一个元素。在这种情况下，只需原样返回数组——根本就不用排序。

def quicksort(array):
  if len(array) < 2:
    return array

我们来看看更长的数组。对包含两个元素的数组进行排序也很容易。

包含三个元素的数组呢？

别忘了，你要使用D&C，因此需要将数组分解，直到满足基线条件。下面介绍快速排序的工作原理。首先，从数组中选择一个元素，这个元素被称为基准值 （pivot）。

稍后再介绍如何选择合适的基准值。我们暂时将数组的第一个元素用作基准值。

接下来，找出比基准值小的元素以及比基准值大的元素。

这被称为分区 （partitioning）。现在你有：

• 一个由所有小于基准值的数字组成的子数组；

• 基准值；

• 一个由所有大于基准值的数组组成的子数组。

这里只是进行了分区，得到的两个子数组是无序的。但如果这两个数组是有序的，对整个数组进行排序将非常容易。

如果子数组是有序的，就可以像下面这样合并得到一个有序的数组：左边的数组 + 基准值 + 右边的数组。在这里，就是[10, 15] + [33] + []，结果为有序数组[10, 15, 33]。

如何对子数组进行排序呢？对于包含两个元素的数组（左边的子数组）以及空数组（右边的子数组），快速排序知道如何将它们排序，因此只要对这两个子数组进行快速排序，再合并结果，就能得到一个有序数组！

quicksort([15, 10]) + [33] + quicksort([])
> [10, 15, 33]  ←------一个有序数组

不管将哪个元素用作基准值，这都管用。假设你将15用作基准值。

这个子数组都只有一个元素，而你知道如何对这些数组进行排序。现在你就知道如何对包含三个元素的数组进行排序了，步骤如下。

(1) 选择基准值。

(2) 将数组分成两个子数组：小于基准值的元素和大于基准值的元素。

(3) 对这两个子数组进行快速排序。

包含四个元素的数组呢？

假设你也将33用作基准值。

左边的子数组包含三个元素，而你知道如何对包含三个元素的数组进行排序：对其递归地调用快速排序。

因此你能够对包含四个元素的数组进行排序。如果能够对包含四个元素的数组进行排序，就能对包含五个元素的数组进行排序。为什么呢？假设有下面这样一个包含五个元素的数组。

根据选择的基准值，对这个数组进行分区的各种可能方式如下。

注意，这些子数组包含的元素个数都在0～4内，而你已经知道如何使用快速排序对包含0～4个元素的数组进行排序！因此，不管如何选择基准值，你都可对划分得到的两个子数组递归地进行快速排序。

例如，假设你将3用作基准值，可对得到的子数组进行快速排序。

将子数组排序后，将它们合并，得到一个有序数组。即便你将5用作基准值，这也可行。

将任何元素用作基准值都可行，因此你能够对包含五个元素的数组进行排序。同理，你能够对包含六个元素的数组进行排序，以此类推。

归纳证明

刚才你大致见识了归纳证明！归纳证明是一种证明算法行之有效的方式，它分两步：基线条件和归纳条件。是不是有点似曾相识的感觉？例如，假设我要证明我能爬到梯子的最上面。递归条件是这样的：如果我站在一个横档上，就能将脚放到下一个横档上。换言之，如果我站在第二个横档上，就能爬到第三个横档。这就是归纳条件。而基线条件是这样的，即我已经站在第一个横档上。因此，通过每次爬一个横档，我就能爬到梯子最顶端。

对于快速排序，可使用类似的推理。在基线条件中，我证明这种算法对空数组或包含一个元素的数组管用。在归纳条件中，我证明如果快速排序对包含一个元素的数组管用，对包含两个元素的数组也将管用；如果它对包含两个元素的数组管用，对包含三个元素的数组也将管用，以此类推。因此，我可以说，快速排序对任何长度的数组都管用。这里不再深入讨论归纳证明，但它很有趣，并与D&C协同发挥作用。

下面是快速排序的代码。

def quicksort(array):
  if len(array) < 2:
    return array  ←------基线条件：为空或只包含一个元素的数组是“有序”的
  else:
    pivot = array[0]  ←------递归条件
    less = [i for i in array[1:] if i <= pivot]  ←------由所有小于基准值的元素组成的子数组

    greater = [i for i in array[1:] if i > pivot]  ←------由所有大于基准值的元素组成的子数组

    return quicksort(less) + [pivot] + quicksort(greater)

print quicksort([10, 5, 2, 3])

4.3　再谈大O表示法

快速排序的独特之处在于，其速度取决于选择的基准值。在讨论快速排序的运行时间前，我们再来看看最常见的大O运行时间。

上述图表中的时间是基于每秒执行10次操作计算得到的。这些数据并不准确，这里提供它们只是想让你对这些运行时间的差别有大致认识。实际上，计算机每秒执行的操作远不止10次。

对于每种运行时间，本书还列出了相关的算法。来看看第2章介绍的选择排序，其运行时间为O (n ² )，速度非常慢。

还有一种名为合并排序 （merge sort）的排序算法，其运行时间为O (n log n )，比选择排序快得多！快速排序的情况比较棘手，在最糟情况下，其运行时间为O (n ² )。

与选择排序一样慢！但这是最糟情况。在平均情况下，快速排序的运行时间为O (n log n )。你可能会有如下疑问。

• 这里说的最糟情况 和平均情况 是什么意思呢？

• 若快速排序在平均情况下的运行时间为O (n log n )，而合并排序的运行时间总是O (n log n )，为何不使用合并排序？它不是更快吗？

4.3.1　比较合并排序和快速排序

假设有下面这样打印列表中每个元素的简单函数。

def print_items(list):
  for item in list:
    print item

这个函数遍历列表中的每个元素并将其打印出来。它迭代整个列表一次，因此运行时间为O (n )。现在假设你对这个函数进行修改，使其在打印每个元素前都休眠1秒钟。

from time import sleep
def print_items2(list):
  for item in list:
    sleep(1)
    print item

它在打印每个元素前都暂停1秒钟。假设你使用这两个函数来打印一个包含5个元素的列表。

这两个函数都迭代整个列表一次，因此它们的运行时间都为O (n )。你认为哪个函数的速度更快呢？我认为print_items 要快得多，因为它没有在每次打印元素前都暂停1秒钟。因此，虽然使用大O表示法表示时，这两个函数的速度相同，但实际上print_items 的速度更快。在大O表示法O (n )中，n 实际上指的是这样的。

c 是算法所需的固定时间量，被称为常量 。例如，print_items 所需的时间可能是10毫秒 * n ，而print_items2 所需的时间为1秒 * n 。

通常不考虑这个常量，因为如果两种算法的大O运行时间不同，这种常量将无关紧要。就拿二分查找和简单查找来举例说明。假设这两种算法的运行时间包含如下常量。

你可能认为，简单查找的常量为10毫秒，而二分查找的常量为1秒，因此简单查找的速度要快得多。现在假设你要在包含40亿个元素的列表中查找，所需时间将如下。

正如你看到的，二分查找的速度还是快得多，常量根本没有什么影响。

但有时候，常量的影响可能很大，对快速查找和合并查找来说就是如此。快速查找的常量比合并查找小，因此如果它们的运行时间都为O (n log n )，快速查找的速度将更快。实际上，快速查找的速度确实更快，因为相对于遇上最糟情况，它遇上平均情况的可能性要大得多。

此时你可能会问，何为平均情况，何为最糟情况呢？

4.3.2　平均情况和最糟情况

快速排序的性能高度依赖于你选择的基准值。假设你总是将第一个元素用作基准值，且要处理的数组是有序的。由于快速排序算法不检查输入数组是否有序，因此它依然尝试对其进行排序。

注意，数组并没有被分成两半，相反，其中一个子数组始终为空，这导致调用栈非常长。现在假设你总是将中间的元素用作基准值，在这种情况下，调用栈如下。

调用栈短得多！因为你每次都将数组分成两半，所以不需要那么多递归调用。你很快就到达了基线条件，因此调用栈短得多。

第一个示例展示的是最糟情况，而第二个示例展示的是最佳情况。在最糟情况下，栈长为O (n )，而在最佳情况下，栈长为O (log n )。

现在来看看栈的第一层。你将一个元素用作基准值，并将其他的元素划分到两个子数组中。这涉及数组中的全部8个元素，因此该操作的时间为O (n )。在调用栈的第一层，涉及全部8个元素，但实际上，在调用栈的每层都涉及O (n )个元素。

即便以不同的方式划分数组，每次也将涉及O (n )个元素。

因此，完成每层所需的时间都为O (n )。

在这个示例中，层数为O (log n )（用技术术语说，调用栈的高度为O (log n )），而每层需要的时间为O (n )。因此整个算法需要的时间为O (n ) * O (log n ) = O (n log n )。这就是最佳情况。

在最糟情况下，有O (n )层，因此该算法的运行时间为O (n ) * O (n ) = O (n ² )。

知道吗？这里要告诉你的是，最佳情况也是平均情况。只要你每次都随机地选择一个数组元素作为基准值，快速排序的平均运行时间就将为O (n log n )。快速排序是最快的排序算法之一，也是D&C典范。

练习

使用大O表示法时，下面各种操作都需要多长时间？

4.5 　打印数组中每个元素的值。

4.6 　将数组中每个元素的值都乘以2。

4.7 　只将数组中第一个元素的值乘以2。

4.8 　根据数组包含的元素创建一个乘法表，即如果数组为[2, 3, 7, 8, 10]，首先将每个元素 都乘以2，再将每个元素都乘以3，然后将每个元素都乘以7，以此类推。

4.4　小结

• D&C将问题逐步分解。使用D&C处理列表时，基线条件很可能是空数组或只包含一个元素的数组。

• 实现快速排序时，请随机地选择用作基准值的元素。快速排序的平均运行时间为O (n log n )。

• 大O表示法中的常量有时候事关重大，这就是快速排序比合并排序快的原因所在。

• 比较简单查找和二分查找时，常量几乎无关紧要，因为列表很长时，O (log n )的速度比O (n )快得多。