11.1 排序演算法¶

排序演算法（sorting algorithm）用於對一組資料按照特定順序進行排列。排序演算法有著廣泛的應用，因為有序資料通常能夠被更高效地查詢、分析和處理。

如圖 11-1 所示，排序演算法中的資料型別可以是整數、浮點數、字元或字串等。排序的判斷規則可根據需求設定，如數字大小、字元 ASCII 碼順序或自定義規則。

圖 11-1 資料型別和判斷規則示例

11.1.1 評價維度¶

執行效率：我們期望排序演算法的時間複雜度儘量低，且總體操作數量較少（時間複雜度中的常數項變小）。對於大資料量的情況，執行效率顯得尤為重要。

就地性：顧名思義，原地排序透過在原陣列上直接操作實現排序，無須藉助額外的輔助陣列，從而節省記憶體。通常情況下，原地排序的資料搬運操作較少，執行速度也更快。

穩定性：穩定排序在完成排序後，相等元素在陣列中的相對順序不發生改變。

穩定排序是多級排序場景的必要條件。假設我們有一個儲存學生資訊的表格，第 1 列和第 2 列分別是姓名和年齡。在這種情況下，非穩定排序可能導致輸入資料的有序性喪失：

# 輸入資料是按照姓名排序好的
# (name, age)
  ('A', 19)
  ('B', 18)
  ('C', 21)
  ('D', 19)
  ('E', 23)

# 假設使用非穩定排序演算法按年齡排序串列，
# 結果中 ('D', 19) 和 ('A', 19) 的相對位置改變，
# 輸入資料按姓名排序的性質丟失
  ('B', 18)
  ('D', 19)
  ('A', 19)
  ('C', 21)
  ('E', 23)

自適應性：自適應排序能夠利用輸入資料已有的順序資訊來減少計算量，達到更優的時間效率。自適應排序演算法的最佳時間複雜度通常優於平均時間複雜度。

是否基於比較：基於比較的排序依賴比較運算子（\(<\)、\(=\)、\(>\)）來判斷元素的相對順序，從而排序整個陣列，理論最優時間複雜度為 \(O(n \log n)\) 。而非比較排序不使用比較運算子，時間複雜度可達 \(O(n)\) ，但其通用性相對較差。

11.1.2 理想排序演算法¶

執行快、原地、穩定、自適應、通用性好。顯然，迄今為止尚未發現兼具以上所有特性的排序演算法。因此，在選擇排序演算法時，需要根據具體的資料特點和問題需求來決定。

接下來，我們將共同學習各種排序演算法，並基於上述評價維度對各個排序演算法的優缺點進行分析。