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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

图 11-13   桶排序算法流程

代码如下所示：

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
bucket_sort.cpp
/* 桶排序 */
void bucketSort(vector<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.size() / 2;
    vector<vector<float>> 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<float> &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<float> &bucket : buckets) {
        for (float num : bucket) {
            nums[i++] = num;
        }
    }
}
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<List<Float>> 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<Float> 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<Float> bucket : buckets) {
        for (float num : bucket) {
            nums[i++] = num;
        }
    }
}
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<List<float>> 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<float> 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<float> bucket in buckets) {
        foreach (float num in bucket) {
            nums[j++] = num;
        }
    }
}
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++
        }
    }
}
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
        }
    }
}
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;
        }
    }
}
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;
        }
    }
}
bucket_sort.dart
/* 桶排序 */
void bucketSort(List<double> 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<List<double>> 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<double> bucket in buckets) {
    bucket.sort();
  }
  // 3. 遍历桶合并结果
  int i = 0;
  for (List<double> bucket in buckets) {
    for (double _num in bucket) {
      nums[i++] = _num;
    }
  }
}
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 &num in nums.iter() {
        // 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 buckets.iter() {
        for &num in bucket.iter() {
            nums[i] = num;
            i += 1;
        }
    }
}
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）
    // 为每个桶预分配足够的空间
    for (int i = 0; i < k; ++i) {
        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]);
    }
}
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<MutableList<Float>>()
    for (i in 0..<k) {
        buckets.add(mutableListOf())
    }
    // 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]
        val i = (num * k).toInt()
        // 将 num 添加进桶 i
        buckets[i].add(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
    var i = 0
    for (bucket in buckets) {
        for (num in bucket) {
            nums[i++] = num
        }
    }
}
bucket_sort.rb
### 桶排序 ###
def bucket_sort(nums)
  # 初始化 k = n/2 个桶，预期向每个桶分配 2 个元素
  k = nums.length / 2
  buckets = Array.new(k) { [] }

  # 1. 将数组元素分配到各个桶中
  nums.each do |num|
    # 输入数据范围为 [0, 1)，使用 num * k 映射到索引范围 [0, k-1]
    i = (num * k).to_i
    # 将 num 添加进桶 i
    buckets[i] << num
  end

  # 2. 对各个桶执行排序
  buckets.each do |bucket|
    # 使用内置排序函数，也可以替换成其他排序算法
    bucket.sort!
  end

  # 3. 遍历桶合并结果
  i = 0
  buckets.each do |bucket|
    bucket.each do |num|
      nums[i] = num
      i += 1
    end
  end
end
bucket_sort.zig
[class]{}-[func]{bucketSort}
可视化运行

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。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

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

图 11-15   根据概率分布划分桶

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