python实现十大排序算法之基数排序Radix-Sort

简介

基数排序 (Radix Sort) 是一种非比较型整数排序算法，是桶排序的扩展。基本思想是：将所有待比较数值统一为同样的数位长度，数位较短的数前面补零。按照低位先排序，分别放入 10 个队列中，然后采用先进先出的原则进行收集；再按照高位排序，然后再收集；依次类推，直到最高位，最终得到排好序的数列。对于数值偏小的一组序列，其速度是非常快的，时间复杂度达到了线性，而且思想也非常的巧妙。

算法实现步骤

1. 取得数组中的最大数，并取得位数；
2. 对数位较短的数前面补零；
3. 分配，先从个位开始，根据位值 (0-9) 分别放到 0~9 号桶中;
4. 收集，再将放置在 0~9 号桶中的数据按顺序放到数组中;
5. 重复 3~4 过程，直到最高位，即可完成排序。

Python 代码实现

# radix_sort 代码实现

from typing import List

def radix_sort(arr:List[int]):
    n = len(str(max(arr)))  # 记录最大值的位数
    for k in range(n):#n 轮排序
        # 每一轮生成 10 个列表
        bucket_list=[[] for i in range(10)]# 因为每一位数字都是 0~9，故建立 10 个桶
        for i in arr:
            # 按第 k 位放入到桶中
            bucket_list[i//(10**k)%10].append(i)
        # 按当前桶的顺序重排列表
        arr=[j for i in bucket_list for j in i]
    return arr

# 测试数据

if __name__ == '__main__':
    import random
    random.seed(54)
    arr = [random.randint(0,100) for _ in range(10)]
    print("原始数据：", arr)
    arr_new = radix_sort(arr)
    print("计数排序结果为：", arr_new)

# 输出结果

原始数据：[17, 56, 71, 38, 61, 62, 48, 28, 57, 42]
计数排序结果为：[17, 28, 38, 42, 48, 56, 57, 61, 62, 71]

动画演示

算法分析

• 时间复杂度

  设待排序的数组 $R\left[1,2,\cdots,n\right]$，数组中最大的数是 $k$ 位数，基数为 $r$(十进制基数为 10，数字 0~9，最多需要 10 个桶来映射数组元素)。处理一位数，需要将数组元素映射到 $r$ 个桶中，映射完成后还需要收集，相当于遍历整个数组，则遍历一位数的时间复杂度为 $O(n+r)$。所以，总的时间复杂度为 $O((n+r)×k)$。

• 空间复杂度

  基数排序过程中，需要开辟 $r$ 个队列，最坏条件下可能用到一个 $r×n$ 的二维数组来做为桶，所以空间复杂度为 $O(r×n)$。

• 稳定性

  基数排序过程是分别排序和收集，不影响相等元素的相对位置，所以是稳定的。

• 综合评价

  时间复杂度(平均)	时间复杂度(最好)	时间复杂度(最坏)	空间复杂度	排序方式	稳定性
  $O((n+r)×k)$	$O((n+r)×k)$	$O((n+r)×k)$	$O(r×n)$	out-place	稳定

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