展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows macOS软件 IOS软件 Android AI PDF教程 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > C#使用随机枢轴实现快速排序的方法

C#使用随机枢轴实现快速排序的方法

说到排序算法,快速排序可以说是经典中的经典了。它的核心思想其实很直接:先选一个“枢轴”元素,然后通过一次遍历把数组分成两部分——左边全小于枢轴,右边全大于枢轴,接着递归地对左右两个子数组重复这个过程就行。和归并排序不同,快排不需要最后再合并两个有序数组,这个特性让它对辅助空间的需求更少,也是它常常比

说到排序算法,快速排序可以说是经典中的经典了。它的核心思想其实很直接:先选一个“枢轴”元素,然后通过一次遍历把数组分成两部分——左边全小于枢轴,右边全大于枢轴,接着递归地对左右两个子数组重复这个过程就行。和归并排序不同,快排不需要最后再合并两个有序数组,这个特性让它对辅助空间的需求更少,也是它常常比归并排序更受欢迎的原因。

不过,细心的读者可能已经发现了关键问题:枢轴选得好不好,直接决定了快排的性能。如果每次都能选到中位数,那效率自然没话说;但要是运气不好,每次都选到最大值或最小值,那可就退化到O(N²)了。所以,一个很自然的改进思路就来了——用随机数来决定枢轴的位置。随机枢轴虽然在理论上仍然存在最坏情况,但实际运行中,它的期望时间复杂度可以稳定在O(N log N),这也是它被广泛采用的原因。

关于数组划分方法,我们之前已经详细聊过两种主流方案:霍尔划分(Hoare)和洛穆托划分(Lomuto)。如果读者对这两种方案还不熟悉,可以先去翻阅一下相关文章,了解一下它们各自的工作原理和适用场景。下面,我们就直接进入正题,看看如何用随机枢轴搭配这两种分区方案来实现快速排序。

C#使用随机枢轴实现快速排序的方法

基于 Lomuto 分区的随机枢轴算法

先来看洛穆托方案。在这种方法中,我们通常选择最后一个元素作为枢轴,然后通过一个指针遍历数组,把小于等于枢轴的元素放到左边。随机化的加入也很简单——在调用分区函数之前,先随机选一个位置,把它和最后一个元素交换,然后继续执行标准的洛穆托分区。

partition(arr[], lo, hi) 
    pivot = arr[hi] 
    i = lo // 用于交换的位置
    for j := lo to hi – 1 do 
        if arr[j] <= pivot then 
            swap arr[i] with arr[j] 
            i = i + 1 
    swap arr[i] with arr[hi] 
    return i 
partition_r(arr[], lo, hi) 
    r = Random Number from lo to hi 
    Swap arr[r] and arr[hi] 
    return partition(arr, lo, hi) 
quicksort(arr[], lo, hi) 
    if lo < hi 
        p = partition_r(arr, lo, hi) 
        quicksort(arr, lo , p-1) 
        quicksort(arr, p+1, hi)

使用 Lomuto 分区法实现:

// C# program to illustrate
// Randomised Quick sort 
using System;
class RandomizedQsort 
{     
  /* This function takes last element as pivot, 
    places the pivot element at its correct 
    position in sorted array, and places all 
    smaller (smaller than pivot) to left of 
    pivot and all greater elements to right 
    of pivot */
  static int partition(int[] arr, int low, int high) 
  { 
    // pivot is chosen randomly 
    random(arr, low, high);
    int pivot = arr[high];
    int i = (low-1); // index of smaller element 
    for (int j = low; j < high; j++) 
    { 
      // If current element is smaller than or 
      // equal to pivot 
      if (arr[j] < pivot) 
      { 
        i++; 
        // swap arr[i] and arr[j] 
        int tempp = arr[i]; 
        arr[i] = arr[j]; 
        arr[j] = tempp; 
      } 
    } 
    // swap arr[i+1] and arr[high] (or pivot) 
    int tempp2 = arr[i + 1]; 
    arr[i + 1] = arr[high]; 
    arr[high] = tempp2; 
    return i + 1; 
  } 
  // This Function helps in calculating
  // random numbers between low(inclusive)
  // and high(inclusive) 
  static int random(int[] arr, int low, int high) 
  { 
    Random rand = new Random(); 
    int pivot = rand.Next() % (high - low) + low; 
    int tempp1 = arr[pivot];  
    arr[pivot] = arr[high]; 
    arr[high] = tempp1; 
    return partition(arr, low, high);
  } 
  /* The main function that implements Quicksort() 
    arr[] --> Array to be sorted, 
    low --> Starting index, 
    high --> Ending index */
  static void sort(int[] arr, int low, int high) 
  { 
    if (low < high) 
    { 
      /* pi is partitioning index, arr[pi] is 
            now at right place */
      int pi = partition(arr, low, high); 
      // Recursively sort elements before 
      // partition and after partition 
      sort(arr, low, pi - 1); 
      sort(arr, pi + 1, high); 
    } 
  } 
  /* A utility function to print array of size n */
  static void printArray(int[] arr) 
  { 
    int n = arr.Length; 
    for (int i = 0; i < n; ++i) 
      Console.Write(arr[i] + " "); 
    Console.WriteLine(); 
  } 
  // Driver Code 
  static public void Main ()
  {
    int[] arr = {10, 7, 8, 9, 1, 5}; 
    int n = arr.Length; 
    sort(arr, 0, n-1); 
    Console.WriteLine("sorted array"); 
    printArray(arr); 
  } 
}
//  This code is contributed by shubhamsingh10

输出

已排序数组:
1 5 7 8 9 10

时间复杂度: O(N*N)

辅助空间: O(N) // 由于递归调用栈

使用霍尔分区法的随机枢轴算法

接下来看霍尔方案。和洛穆托不同,霍尔的思路是设置两个指针,一个从左向右,一个从右向左,寻找需要交换的元素对。这种方式通常比洛穆托更高效,尤其是对于有大量重复元素的数组。随机化在这里同样适用——在分区前随机选一个元素,然后把它和第一个元素交换,再执行标准霍尔分区。

partition(arr[], lo, hi)
   pivot = arr[lo]
   i = lo - 1  // Initialize left index
   j = hi + 1  // Initialize right index
    while(True)
           // Find a value in left side greater than pivot
           do
              i = i + 1
           while arr[i] < pivot
        // Find a value in right side smaller than pivot
           do
              j = j - 1
           while arr[j] > pivot
           if i >= j then  
              return j
        else
               swap arr[i] with arr[j]
       end    while
partition_r(arr[], lo, hi)
    r = Random number from lo to hi
    Swap arr[r] and arr[lo]
    return partition(arr, lo, hi)
quicksort(arr[], lo, hi)
    if lo < hi
        p = partition_r(arr, lo, hi)
        quicksort(arr, lo, p)
        quicksort(arr, p+1, hi)

使用霍尔分区法的实现:

// C# implementation of QuickSort
// using Hoare's partition scheme
using System;
public class GFG {
    // Driver Code
    public static void Main()
    {
        int[] arr = { 10, 7, 8, 9, 1, 5 };
        int n = arr.Length;
        quickSort(arr, 0, n - 1);
        Console.WriteLine("Sorted array: ");
        printArray(arr, n);
    }
    // This function takes last element as
    // pivot, places the pivot element at
    // its correct position in sorted
    // array, and places all smaller
    // (smaller than pivot) to left of pivot
    // and all greater elements to right
    public static int partition(int[] arr, int low,
                                int high)
    {
        int pivot = arr[low];
        int i = low - 1, j = high + 1;
        // Find leftmost element greater than
        // or equal to pivot
        while (true) {
            do {
                i++;
            } while (arr[i] < pivot);
            // Find rightmost element smaller than
            // or equal to pivot
            do {
                j--;
            } while (arr[j] > pivot);
            // If two pointers met
            if (i >= j)
                return j;
            swap(arr, i, j);
        }
    }
    // Generates Random Pivot, swaps pivot with
    // end element and calls the partition function
    // In Hoare partition the low element is selected
    // as first pivot
    public static int partition_r(int[] arr, int low,
                                  int high)
    {
        // Generate a random number in between
        // low .. high
        Random rnd = new Random();
        int random = low + rnd.Next(high - low);
        // Swap A[random] with A[high]
        swap(arr, random, low);
        return partition(arr, low, high);
    }
    // The main function that implements QuickSort
    // arr[] --> Array to be sorted,
    // low  --> Starting index,
    // high  --> Ending index
    public static void quickSort(int[] arr, int low,
                                 int high)
    {
        if (low < high) {
            // pi is partitioning index,
            // arr[p] is now at right place
            int pi = partition_r(arr, low, high);
            // Separately sort elements before
            // partition and after partition
            quickSort(arr, low, pi);
            quickSort(arr, pi + 1, high);
        }
    }
    // Function to print an array
    public static void printArray(int[] arr, int n)
    {
        for (int i = 0; i < n; i++)
            Console.Write("{0} ", arr[i]);
        Console.Write("\n");
    }
    public static void swap(int[] arr, int i, int j)
    {
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }
}

输出

已排序数组:
1 5 7 8 9 10

时间复杂度: O(N*N)

辅助空间: O(N) // 由于递归调用栈

使用 generateRandomPivot 函数实现

如果不想被霍尔和洛穆托的细节束缚,其实还有一种更直接的方式:单独写一个随机生成枢轴的函数,然后手动完成分区逻辑。思路也很清晰:随机选一个位置,把它和最后一个元素交换,然后遍历数组,把小于枢轴的元素都移到左边,最后把枢轴放回正确的位置。这种方法本质上和洛穆托分区相差不大,但代码更直观,适合初学者理解随机枢轴的核心思想。

使用随机枢轴而不进行分区实现快速排序:

using System;
class Program {
  // Function to swap two elements
  static void Swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
  }
  // Function to generate a random pivot index
  static int GenerateRandomPivot(int low, int high) {
    Random random = new Random();
    return low + random.Next(high - low + 1);
  }
  // Function to perform QuickSort
  static void QuickSort(int[] arr, int low, int high) {
    if (low < high) {
      int pivotIndex = GenerateRandomPivot(low, high);
      int pivotValue = arr[pivotIndex];
      // Swap the pivot element with the last element
      Swap(arr, pivotIndex, high);
      int i = low - 1;
      for (int j = low; j < high; j++) {
        if (arr[j] < pivotValue) {
          i++;
          Swap(arr, i, j);
        }
      }
      // Swap the pivot element back to its final position
      Swap(arr, i+1, high);
      // Recursively sort the left and right subarrays
      QuickSort(arr, low, i);
      QuickSort(arr, i+2, high);
    }
  }
  static void Main() {
    int[] arr = {5, 2, 7, 3, 1, 6, 4, 8};
    int n = arr.Length;
    Console.Write("Original array: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      Console.Write(arr[i] + " ");
    }
    QuickSort(arr, 0, n-1);
    Console.Write("\nSorted array: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      Console.Write(arr[i] + " ");
    }
  }
}

输出

原始数组:5 2 7 3 1 6 4 8
排序后数组:1 2 3 4 5 6 7 8

一句话总结,随机枢轴并不能完全消除最坏情况,但它让最坏情况发生的概率变得极低。在实际应用中,它的期望时间复杂度稳稳地落在O(N log N),这就足够了。不过,事情没那么简单——最坏情况下的复杂度仍然是O(N²),所以当你面对极端数据(比如所有元素都相等,或者高度有序的数据)时,还需要额外注意。毕竟,随机化是改善性能的有效手段,但并不是万能的银弹。

本文内容来源于网友投稿,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发
下一篇: 编程的收获
相关文章 更多
精品专题 更多
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

Mac软件 更多
photoshop
photoshop

Photoshop 2026 是 Adobe 推出的专业图像处理与视觉设计软件,支持 Windows、macOS 和 iPad 等平台,广泛应用于摄影修图、电商设计、平面海报、数字绘画及视觉合成等创作场景。

Blender
Blender

Blender 是一款免费开源、跨平台的专业 3D 创作软件,集建模、动画、渲染、视频编辑与视觉合成等功能于一体,广泛应用于影视动画、游戏设计和建筑可视化等领域。软件支持 Cycles 物理渲染器与 Eevee 实时渲染引擎,并提供多边形建模、骨骼绑定、物理模拟等专业工具。Blender 兼容 Windows、macOS 和 Linux 系统,安装包轻巧、运行流畅,依托活跃的全球开发者社区持续更新,是从初学者到专业创作者都值得选择的正版 3D 创作工具。

灵活计算器
灵活计算器

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

图几
图几

图几是一款适用于 macOS 的截图、标注与美化工具,支持离线操作保障隐私。界面整理和高频系统操作被放到一起考虑,桌面或窗口内容一多时,管理起来会更省心。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

Mac
WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

Mountain Duck
Mountain Duck

Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

WINDOWS 更多
3dmax(3ds max)
3dmax(3ds max)

Autodesk 3ds Max 是一款专业的三维建模、动画与渲染软件,广泛应用于建筑可视化、游戏开发、影视动画、广告设计和产品展示等领域。

photoshop
photoshop

Photoshop 2026 是 Adobe 推出的专业图像处理与视觉设计软件,支持 Windows、macOS 和 iPad 等平台,广泛应用于摄影修图、电商设计、平面海报、数字绘画及视觉合成等创作场景。

Blender
Blender

Blender 是一款免费开源、跨平台的专业 3D 创作软件,集建模、动画、渲染、视频编辑与视觉合成等功能于一体,广泛应用于影视动画、游戏设计和建筑可视化等领域。软件支持 Cycles 物理渲染器与 Eevee 实时渲染引擎,并提供多边形建模、骨骼绑定、物理模拟等专业工具。Blender 兼容 Windows、macOS 和 Linux 系统,安装包轻巧、运行流畅,依托活跃的全球开发者社区持续更新,是从初学者到专业创作者都值得选择的正版 3D 创作工具。

Windows 10
Windows 10

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

傲梅轻松备份
傲梅轻松备份

傲梅轻松备份是一款专业易用的数据备份软件,为重要数据提供安全保障。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

Mac
Wise Folder Hider Pro
Wise Folder Hider Pro

Wise Folder Hider Pro 是一款专业级文件和文件夹隐藏加密软件,为私密数据添加多重保护。高频操作更强调就近处理,浏览、整理和跨目录移动文件时,来回切换和重复点击都会少很多。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。