数据结构与算法基础-学习-34-基数排序（桶排序）

目录

一、基本思想

二、算法思路

1、个位排序

（1）分配

（2）收集

2、十分位排序

（1）分配

（2）收集

三、源码分享

1、InitMyBucket

2、DestroyMyBucket

3、ClearMyBucket

4、PushData2Bucket

5、PopDataFromBucket

6、GetIntegerDigit

7、BucketSortSentryQueue

四、算法效率

五、Linux环境编译测试

排序的其他相关知识点和源码分享可以参考之前的博客：   

《数据结构与算法基础-学习-30-插入排序之直接插入排序、二分插入排序、希尔排序》，

《数据结构与算法基础-学习-31-交换排序之冒泡排序、快速排序》，

《数据结构与算法基础-学习-32-选择排序之简单选择排序、堆排序》，

《数据结构与算法基础-学习-33-归并排序》

一、基本思想

基数排序的基本思想就是分配和收集。

基数排序也叫桶排序、箱排序，设置若干个桶，将关键字为k的记录放入第k个桶，然后再按照序号将非空的连接。

二、算法思路

我们还是以升序为例，初始化10个桶来存放数据，因为上面的数据最多到十分位，我们只需要两部就可以完成排序。

1、个位排序

（1）分配

10的个位是0，放到0号桶。

34的个位是4，放到4号桶。

1的个位是1，放到1号桶。

后面的数据以此类推。

（2）收集

我们按照顺序从第0个桶、第1个桶。。。。的顺序取数据，可以发现个位已经有序。并且只有个位的元素就不需要进行下一轮十分位的排序，我们只用比较有十分位的元素，这样可以减少排序时间。收集前桶中数据是全部，为了效率我们可以直接把只有个位的放入原序列中。

2、十分位排序

（1）分配

我们清空桶，将临时队列中的元素按照十分位的数值放入桶中。

（2）收集

我们按照顺序从第0个桶、第1个桶。。。。的顺序取数据，由于这些元素只有最大十分位，我们可以直接放入原队列中，这样就排好序啦。

三、源码分享

1、InitMyBucket

Status InitMyBucket(MyBucket** Bucket, QueueLenType BucketGroupNums, QueueLenType OneBucketNums, JudgeTypeFlag Flag)
{JudgeAllNullPointer(Bucket);if (BucketGroupNums * OneBucketNums > __LONG_LONG_MAX__){LogFormat(Error,"Init Bucket Fail, Reason : BucketGroupNums(%lld) * OneBucketNums(%lld) > %lld.\n",BucketGroupNums,OneBucketNums,__LONG_LONG_MAX__);return FailFlag;}QueueLenType i;(*Bucket)                       = (MyBucket*)MyMalloc(sizeof(MyBucket));(*Bucket)->BucketArrayMaxLen    = BucketGroupNums;(*Bucket)->BucketDataUseNums    = 0;(*Bucket)->BucketDataMaxUseNums = BucketGroupNums * OneBucketNums;(*Bucket)->BucketArray          = (SqQueue**)MyMalloc(BucketGroupNums * sizeof(SqQueue*));for ( i = 0; i < (*Bucket)->BucketArrayMaxLen; i++){InitSqQueue(&((*Bucket)->BucketArray[i]),OneBucketNums,Flag);}LogFormat(Debug,"Init Bucket OK.\n");return SuccessFlag;
}

2、DestroyMyBucket

Status DestroyMyBucket(MyBucket** Bucket)
{JudgeAllNullPointer(*Bucket);QueueLenType i;for ( i = 0; i < (*Bucket)->BucketArrayMaxLen; i++){DestroySqQueue(&((*Bucket)->BucketArray[i]));}free((*Bucket)->BucketArray);(*Bucket)->BucketArray          = NULL;(*Bucket)->BucketArrayMaxLen    = 0;(*Bucket)->BucketDataUseNums    = 0;(*Bucket)->BucketDataMaxUseNums = 0;free(*Bucket);*Bucket                         = NULL;LogFormat(Debug,"Destroy Bucket OK.\n");return SuccessFlag;
}

3、ClearMyBucket

Status ClearMyBucket(MyBucket* Bucket)
{JudgeAllNullPointer(Bucket);QueueLenType i;for ( i = 0; i < Bucket->BucketArrayMaxLen; i++){ClearSqQueue(Bucket->BucketArray[i]);}Bucket->BucketDataUseNums = 0;LogFormat(Debug,"Clear Bucket OK.\n");return SuccessFlag;
}

4、PushData2Bucket

//将数据压入桶中。
Status PushData2Bucket(MyBucket* Bucket, QueueLenType BucketGroupIndex, void* Data)
{JudgeAllNullPointer(Bucket);JudgeAllNullPointer(Data);if (BucketGroupIndex < 0 || BucketGroupIndex >= Bucket->BucketArrayMaxLen){LogFormat(Error,"Push Data To Bucket Fail, Reason : Illegal BucketGroupIndex(%lld).\n",BucketGroupIndex);return FailFlag;}if (Bucket->BucketDataUseNums == Bucket->BucketDataMaxUseNums){LogFormat(Warning,"Push Data To Bucket Fail, Reason : Bucket Is Full(%lld).\n",Bucket->BucketDataMaxUseNums);return NormalFlag;}Status ReturnStatus;ReturnStatus = EnterSqQueue(Bucket->BucketArray[BucketGroupIndex],Data);if (ReturnStatus == SuccessFlag){Bucket->BucketDataUseNums++;LogFormat(Debug,"Push Data To Bucket OK.\n");}return ReturnStatus;
}

5、PopDataFromBucket

//将数据从桶中取出来。
Status PopDataFromBucket(MyBucket* Bucket, QueueLenType BucketGroupIndex, void* Data)
{JudgeAllNullPointer(Bucket);JudgeAllNullPointer(Data);if (BucketGroupIndex < 0 || BucketGroupIndex >= Bucket->BucketArrayMaxLen){LogFormat(Error,"Pop Data From Bucket Fail, Reason : Illegal BucketGroupIndex(%lld).\n",BucketGroupIndex);return FailFlag;}if (Bucket->BucketDataUseNums == 0){LogFormat(Warning,"Pop Data From Bucket Fail, Reason : Bucket Is Empty.\n");return NormalFlag;}Status ReturnStatus;ReturnStatus = LeaveSqQueue(Bucket->BucketArray[BucketGroupIndex],Data);if (ReturnStatus == SuccessFlag){Bucket->BucketDataUseNums--;LogFormat(Debug,"Pop Data From Bucket OK.\n");}return ReturnStatus;
}

6、GetIntegerDigit

//给出一个正整数，和你想要的位数，返回相应的位数。
//例如1234，你要十分位，返回一个3。
//1表示个位，2表示十分位，以此类推。 
//目前只支持int类型
int GetIntegerDigit(int Num, int Digit)
{// LogFormat(Debug,"Num : %d, Digit : %d\n",Num,Digit);if (Digit < 1 || Digit > 9){return GET_INTEGER_DIGIT_FAIL_FLAG;}if (Num < 0){return GET_INTEGER_DIGIT_FAIL_FLAG;}if (Digit == 1){return Num % 10;}else if (MyIntSquare(10,Digit - 1) > Num)//如果Num不存在Digit相应的位数，如89不存在百分位的情况。{return GET_INTEGER_DIGIT_NO_EXISTS_FLAG;}else{return (Num % MyIntSquare(10,Digit) - Num % MyIntSquare(10,Digit - 1)) / MyIntSquare(10,Digit - 1);}
}

7、BucketSortSentryQueue

//由于GetIntegerDigit实现的原因，导致BucketSortSentryQueue只支持正整数排序。
//此函数如果执行出错，会改变Queue的值，里面存了中间结果。
Status BucketSortSentryQueue(SqQueue* Queue)
{JudgeAllNullPointer(Queue);MyBucket* Bucket   = NULL;SqQueue*  TmpQueue = NULL;//临时队列，存放中间数据。switch(Queue->Flag){case INT_TYPE_FLAG  :InitMyBucket(&Bucket,INTEGER_BUCKET_NUMS,Queue->SqQueueLen,Queue->Flag);InitSqQueue(&TmpQueue,Queue->SqQueueLen,Queue->Flag);break;default :LogFormat(Error,"BucketSortSentry Function , Queue->Flag(%d) Is Unknow Type Flag, Exit!!!\n",Queue->Flag);exit(ExceptionExitFlag);}//后续再做成万能数据型//现在只支持整型int          ReutrnVal        = 0;QueueLenType i;QueueLenType BucketGroupIndex = 0;Status       ReturnStatus;int          Digit            = 1;//计算的位数QueueLenType MaxQueueLen      = Queue->SqQueueLen;do{if (Digit != 1){//第n次收集是从TmpQueue读取数据，做整数Digit位的排序，放入桶中。for ( i = 0; i < TmpQueue->SqQueueLen; i++){ReadSqQueue(TmpQueue,i,&ReutrnVal);BucketGroupIndex = GetIntegerDigit(ReutrnVal,Digit);PushData2Bucket(Bucket, BucketGroupIndex, &ReutrnVal);}//清理临时队列。ClearSqQueue(TmpQueue);}else{//第一次收集是从传入参数Queue读取数据，做整数个位的排序，放入桶中。for ( i = 1; i < Queue->SqQueueLen; i++){ReadSqQueue(Queue,i,&ReutrnVal);BucketGroupIndex = GetIntegerDigit(ReutrnVal,Digit);PushData2Bucket(Bucket, BucketGroupIndex, &ReutrnVal);}ReadSqQueue(Queue,0,&ReutrnVal);ClearSqQueue(Queue);EnterSqQueue(Queue,&ReutrnVal);}//第n次分配，从桶中把顺序数据读取出来。i = 0;Digit++;while (Bucket->BucketDataUseNums != 0){ReturnStatus = PopDataFromBucket(Bucket, i, &ReutrnVal);if (ReturnStatus == SuccessFlag)//成功读出数据，放入临时队列中。{if (GetIntegerDigit(ReutrnVal,Digit) == GET_INTEGER_DIGIT_NO_EXISTS_FLAG)//如果给的数没有Digit，放到最终队列中。{EnterSqQueue(Queue,&ReutrnVal);}else if (GetIntegerDigit(ReutrnVal,Digit) != GET_INTEGER_DIGIT_FAIL_FLAG)//有Digit的进行下一步计算。{EnterSqQueue(TmpQueue,&ReutrnVal);}else//异常情况{LogFormat(Error,"Bucket Sort Sentry Queue Fail, Reason : Error Data(%d).\n",ReutrnVal);exit(ExceptionExitFlag);}}else if (ReturnStatus == NormalFlag)//由于第i个桶的数据被读取完了，读下一个桶。{i++;}else//读取数据失败{DestroyMyBucket(&Bucket);DestroySqQueue(&TmpQueue);Bucket   = NULL;TmpQueue = NULL;LogFormat(Error,"Bucket Sort Sentry Queue Fail, Reason : Pop Data From Bucket Fail.\n");return FailFlag;}}//清理桶ClearMyBucket(Bucket);}while (GetSqQueueLen(Queue) < MaxQueueLen);//如果最终结果队列的元素个数小于Queue队列的元素个数，说明数据没有排序完。DestroyMyBucket(&Bucket);DestroySqQueue(&TmpQueue);Bucket   = NULL;TmpQueue = NULL;LogFormat(Debug,"Bucket Sort Sentry Queue OK.\n");return SuccessFlag;
}

四、算法效率

情况时间复杂度是否稳定
最好O(n + m)稳定
最坏O(k * (n + m))
平均O(k * (n + m))

例如我们上面这个计算时间复杂度是多少呢？

 (10个数字 + 10个桶）* 2位数 = 40

五、Linux环境编译测试

[gbase@czg2 Sort]$ make
gcc -Wall -Wextra -O3 InsertSort.c SwapSort.c SelectSort.c MergeSort.c BucketSort.c main.c -o TestSort -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/Log/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/HashTable/include/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/SqQueue/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/SqStack/ -L /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/Make/Libs/ -lPublicFunction -lLog -lSqQueue
[gbase@czg2 Sort]$ time ./TestSort 
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Info  ]--SqQueue Data   :
Data           : [ 0 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ]
FrontIndex     : 0
RearIndex      : 0
SqQueueLen     : 11
SqQueueMaxLen  : 11
Flag           : INT_TYPE_FLAG
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Init Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Init SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Push Data To Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Read  SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--SqQueue is Empty, Data cannot be left
2023-9-12--[ Debug ]--Leave SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Pop Data From Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Enter SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Clear Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy Bucket OK.
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OK
2023-9-12--[ Debug ]--Bucket Sort Sentry Queue OK.
2023-9-12--[ Info  ]--Sort Function Elapsed Time   : 0 s
2023-9-12--[ Info  ]--SqQueue Data   :
Data           : [ 0 ,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ]
FrontIndex     : 0
RearIndex      : 0
SqQueueLen     : 11
SqQueueMaxLen  : 11
Flag           : INT_TYPE_FLAG
2023-9-12--[ Debug ]--Destroy SqQueue OKreal    0m0.002s
user    0m0.002s
sys     0m0.000s

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