排序算法系列——基数排序

基数排序不同于其他的七种排序算法，它是基于一种分配法，而非比较。基数排序属于“分配式排序”（distribution sort），基数排序法又称“桶子法”（bucket sort）或bin sort，顾名思义，它是透过键值的部份资讯，将要排序的元素分配至某些“桶”中，藉以达到排序的作用。它的灵感来自于队列(Queue)，它最独特的地方在于利用了数字的有穷性(阿拉伯数字只有0到9的10个)。
基本思想：
我们考虑对整数进行基数排序的过程，对于整数，我们可以将其分成个位、十位、百位、。。。基数排序就是先对元素的个位进行排序，然后再对十位进行排序，。。。最终按最高位进行排序完成整个排序。逻辑可以理解为，比如正常情况下我们排序两个整数，我们首先对比的是十位然后是个位，现在我们颠倒过来先排序个位，再排序十位，如果十位相同上一步我们已经按个位排好序，所以还是有序的。其实基数排序也有另一种方式MSD，即从高位开始。
实现要点：
首先我们需要一个能够放下所有一位数的桶（bucket），还好阿拉伯数字只有10个，所以我们只需要10个bucket就可以搞定，但是在将所有元素放入bucket时肯定会出现多个元素放入一个bucket的情况，这时候就需要使用链表来解决了（也有使用二维数组的方式，但是空间需要n^2，当排序元素很多时肯定有点吃不消），同时为了方便往bucket中遍历元素以及添加元素，我们让bucket包含两个指针，一个指向bucket中第一个元素（head），另一个指向最后一个元素（tail），而bucket中每个元素都是一个Node，Node中包含一个排序序列中的值（val）以及一个指向下一个元素的指针（next）。
有了桶，下一步就是需要将所有数值从个位开始依次放入桶，然后再按顺序取出放回原数组了，这里有个地方需要注意下，就是如何循环到数组中所有元素的最高位就终止循环，这里有两个解决方法：
（1）首先遍历一遍数组，找到最大值，确定最高位
（2）一直循环直到所有元素的指定位数都是0为止
第一种方法需要O(n)次的比较，而第二次需要计算每个值在指定位数的值，同时还需要将其放入桶中。我的实现需要第一种方式。
到这里基本就可以实现出一个基数排序了，下面就看看如何实现。
Java实现：

package com.vicky.sort;

import java.util.Random;

/**
 * 基数排序
 * 
 * @author Vicky
 * 
 */
public class RadixSort {
    private static final int RADIX = 10;

    public static void sort(Integer[] data) {
        long start = System.nanoTime();
        if (null == data) {
            throw new NullPointerException("data");
        }
        if (data.length == 1) {
            return;
        }
        // 遍历一遍，找到最大值，确定最高位数
        int max = Integer.MIN_VALUE;
        int i = 0;
        for (; i < data.length; i++) {
            if (data[i] > max) {
                max = data[i];
            }
        }
        // 计算最高位数
        int maxDigit = String.valueOf(max).length();
        Bucket[] temp = new Bucket[RADIX];// 用于保存各个位数的bucket
        for (int num = 0; num < maxDigit; num++) {
            // 将每个元素指定位数的值放入对应的bucket中
            for (i = 0; i < data.length; i++) {
                int val = data[i] / pow(RADIX, num);
                Node node = new Node(data[i], null);
                Bucket tmp = temp[val % RADIX];
                if (null == tmp) {
                    temp[val % RADIX] = new Bucket(node, node);
                } else {
                    tmp.getTail().setNext(node);
                    tmp.setTail(node);
                }
            }
            // 将temp中保存的元素按顺序更新到原数组中
            int index = 0;
            for (i = 0; i < temp.length; i++) {
                if (null == temp[i]) {
                    continue;
                }
                Node node = temp[i].getHead();
                data[index++] = node.getValue();
                while (null != node.getNext()) {
                    data[index++] = node.getNext().getValue();
                    node = node.getNext();
                }
                // 顺便重置temp
                temp[i] = null;
            }
        }

        System.out.println("use time:" + (System.nanoTime() - start) / 1000000);
    }

    /**
     * 计算指定基数的指定幂的值
     * 
     * @param digit
     *            基数，如10
     * @param num
     *            幂次值，从0开始，10^0=1
     * @return
     */
    private static int pow(int digit, int num) {
        int val = 1;
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            val *= digit;
        }
        return val;
    }

    /**
     * <p>
     * 桶，用于存放数组
     * </p>
     * 
     * @author Vicky
     * @date 2015-8-21
     */
    private static class Bucket {
        private Node head;
        private Node tail;

        public Bucket(Node head, Node tail) {
            super();
            this.head = head;
            this.tail = tail;
        }

        public Node getHead() {
            return head;
        }

        public Node getTail() {
            return tail;
        }

        public void setTail(Node tail) {
            this.tail = tail;
        }
    }

    /**
     * <p>
     * 节点，用于解决桶中存放多个元素问题
     * </p>
     * 
     * @author Vicky
     * @date 2015-8-21
     */
    private static class Node {
        private int value;
        private Node next;

        public Node(int value, Node next) {
            super();
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public int getValue() {
            return value;
        }

        public Node getNext() {
            return next;
        }

        public void setNext(Node next) {
            this.next = next;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Random ran = new Random();
        Integer[] data = new Integer[10000000];
        Integer[] data2 = new Integer[data.length];
        Integer[] data3 = new Integer[data.length];
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            data[i] = ran.nextInt(100000);
            data2[i] = data[i];
            data3[i] = data[i];
        }
        MergeSort.sort(data);
        QuickSort.sort(data2);
        RadixSort.sort(data3);
        // SortUtils.printArray(data);
        // SortUtils.printArray(data2);
        // SortUtils.printArray(data3);
    }
}

效率分析：
（1）时间复杂度
O(kn)

基数排序的时间复杂度是 O(k·n)，其中n是排序元素个数，k是数字位数。注意这不是说这个时间复杂度一定优于O(n·log(n))，因为k的大小一般会受到 n 的影响。 以排序n个不同整数来举例，假定这些整数以B为底，这样每位数都有B个不同的数字，k就一定不小于logB(n)。由于有B个不同的数字，所以就需要B个不同的桶，在每一轮比较的时候都需要平均n·log2(B) 次比较来把整数放到合适的桶中去，所以就有：
k 大于或等于 logB(n)
每一轮(平均)需要 n·log2(B) 次比较
所以，基数排序的平均时间T就是：
T ≥logB(n)·n·log2(B) = log2(n)·logB(2)·n·log2(B)= log2(n)·n·logB(2)·log2(B) = n·log2(n)
所以和比较排序相似，基数排序需要的比较次数：T ≥ n·log2(n)。故其时间复杂度为Ω(n·log2(n)) = Ω(n·log n) 。

（2）空间复杂度
O(radix+n)
radix个bucket，以及n个Node。
（3）稳定性
稳定
假设一组元素：12(a),23,12(b),34,15，首先我们按个位分桶得到bucket(1)里面是12(a),12(b)，取出后还是12(a),12(b)所以顺序并没有变化。

基数排序虽然看着感觉效率很高，其实经过测试效率并不如快速排序和归并排序，但是比其他的O(n^2)的排序算法效率肯定是高的。因为基数排序需要操作链接，对于链表的操作肯定不如数组效率高。不过基数排序可以适用于非数值排序，比如字符串。对于一组字符串进行排序，其他的排序算法就无法适用了，但是可以运用基数排序，按字符串个每位字符进行划分入桶，再进行排序即可，不过得先确定有多少个不同字符，要是包含全部字符，那就没法玩了。下面引用一篇文章介绍的基数排序的适用范围吧。

基数排序从低位到高位进行，使得最后一次计数排序完成后，数组有序。其原理在于对于待排序的数据，整体权重未知的情况下，先按权重小的因子排序，然后按权重大的因子排序。例如比较时间，先按日排序，再按月排序，最后按年排序，仅需排序三次。但是如果先排序高位就没这么简单了。基数排序源于老式穿孔机，排序器每次只能看到一个列，很多教科书上的基数排序都是对数值排序，数值的大小是已知的，与老式穿孔机不同。将数值按位拆分再排序，是无聊并自找麻烦的事。算法的目的是找到最佳解决问题的方案，而不是把简单的事搞的更复杂。基数排序更适合用于对时间、字符串等这些整体权值未知的数据进行排序。这时候基数排序的思想才能体现出来，例如字符串，如果从高位（第一位）往后排就很麻烦。而反过来，先对影响力较小，排序排重因子较小的低位（最后一位）进行排序就非常简单了。这时候基数排序的思想就能体现出来。又或者所有的数值都是以字符串形式存储，就象穿孔机一样，每次只能对一列进行排序。这时候基数排序也适用，例如：对{“193”;”229”;”233”;”215”}进行排序。

参考文章：
java基数排序
Java排序算法总结（八）：基数排序