前面的文章已经介绍了几种排序算法，如插入排序（直接插入排序，折半插入排序，希尔排序）、交换排序（冒泡排序，快速排序）、选择排序（简单选择排序，堆排序）、2-路归并排序（可以参考前一篇文章：各种内部排序算法的实现）等，这些排序算法都有一个共同的特点，就是基于比较。
本文将介绍三种非比较的排序算法：计数排序，基数排序，桶排序。它们将突破比较排序的Ω(nlgn)下界，以线性时间运行。
一、比较排序算法的时间下界
所谓的比较排序是指通过比较来决定元素间的相对次序。
“定理：对于含n个元素的一个输入序列，任何比较排序算法在最坏情况下，都需要做Ω(nlgn)次比较。”
也就是说，比较排序算法的运行速度不会快于nlgn，这就是基于比较的排序算法的时间下界。
通过决策树（Decision-Tree）可以证明这个定理，关于决策树的定义以及证明过程在这里就不赘述了。读者可以自己去查找资料，这里推荐大家看一看麻省理工学院公开课：算法导论的《MIT公开课：线性时间排序》。
根据上面的定理，我们知道任何比较排序算法的运行时间不会快于nlgn。那么我们是否可以突破这个限制呢？当然可以，接下来我们将介绍三种线性时间的排序算法，它们都不是通过比较来排序的，因此，下界Ω(nlgn)对它们不适用。
二、计数排序（Counting Sort）
计数排序的基本思想就是对每一个输入元素x，确定小于x的元素的个数，这样就可以把x直接放在它在最终输出数组的位置上，例如：
算法的步骤大致如下：
①.找出待排序的数组中最大和最小的元素
②.统计数组中每个值为i的元素出现的次数，存入数组C的第i项
③.对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）
④.反向填充目标数组：将每个元素i放在新数组的第C(i)项，每放一个元素就将C(i)减去1
C++代码如下：
/************************************************************************* > File Name: CountingSort.cpp > Author: SongLee ************************************************************************/ #include<iostream> using namespace std; /* *计数排序：A和B为待排和目标数组，k为数组中最大值,len为数组长度 */ void CountingSort(int A[], int B[], int k, int len) { int C[k+1]; for(int i=0; i<k+1; ++i) C[i] = 0; for(int i=0; i<len; ++i) C[A[i]] += 1; for(int i=1; i<k+1; ++i) C[i] = C[i] + C[i-1]; for(int i=len-1; i>=0; --i) { B[C[A[i]]-1] = A[i]; C[A[i]] -= 1; } } /* 输出数组 */ void print(int arr[], int len) { for(int i=0; i<len; ++i) cout << arr[i] << " "; cout << endl; } /* 测试 */ int main() { int origin[8] = {4,5,3,0,2,1,15,6}; int result[8]; print(origin, 8); CountingSort(origin, result, 15, 8); print(result, 8); return 0; }
当输入的元素是0到k之间的整数时，时间复杂度是O(n+k)，空间复杂度也是O(n+k)。当k不是很大并且序列比较集中时，计数排序是一个很有效的排序算法。计数排序是一个稳定的排序算法。
可能你会发现，计数排序似乎饶了点弯子，比如当我们刚刚统计出C，C[i]可以表示A中值为i的元素的个数，此时我们直接顺序地扫描C，就可以求出排序后的结果。的确是这样，不过这种方法不再是计数排序，而是桶排序，确切地说，是桶排序的一种特殊情况。
三、桶排序（Bucket Sort）
桶排序（Bucket Sort）的思想是将数组分到有限数量的桶子里。每个桶子再个别排序（有可能再使用别的排序算法）。当要被排序的数组内的数值是均匀分配的时候，桶排序可以以线性时间运行。桶排序过程动画演示：Bucket Sort，桶排序原理图如下：
C++代码如下：
/************************************************************************* > File Name: BucketSort.cpp > Author: SongLee ************************************************************************/ #include<iostream> using namespace std; /* 节点 */ struct node { int value; node* next; }; /* 桶排序 */ void BucketSort(int A[], int max, int len) { node bucket[len]; int count=0; for(int i=0; i<len; ++i) { bucket[i].value = 0; bucket[i].next = NULL; } for(int i=0; i<len; ++i) { node *ist = new node(); ist->value = A[i]; ist->next = NULL; int idx = A[i]*len/(max+1); // 计算索引 if(bucket[idx].next == NULL) { bucket[idx].next = ist; } else /* 按大小顺序插入链表相应位置 */ { node *p = &bucket[idx]; node *q = p->next; while(q!=NULL && q->value <= A[i]) { p = q; q = p->next; } ist->next = q; p->next = ist; } } for(int i=0; i<len; ++i) { node *p = bucket[i].next; if(p == NULL) continue; while(p!= NULL) { A[count++] = p->value; p = p->next; } } } /* 输出数组 */ void print(int A[], int len) { for(int i=0; i<len; ++i) cout << A[i] << " "; cout << endl; } /* 测试 */ int main() { int row[11] = {24,37,44,12,89,93,77,61,58,3,100}; print(row, 11); BucketSort(row, 235, 11); print(row, 11); return 0; }
四、基数排序（Radix Sort）
基数排序（Radix Sort）是一种非比较型排序算法，它将整数按位数切割成不同的数字，然后按每个位分别进行排序。基数排序的方式可以采用MSD（Most significant digital）或LSD（Least significant digital），MSD是从最高有效位开始排序，而LSD是从最低有效位开始排序。
当然我们可以采用MSD方式排序，按最高有效位进行排序，将最高有效位相同的放到一堆，然后再按下一个有效位对每个堆中的数递归地排序，最后再将结果合并起来。但是，这样会产生很多中间堆。所以，通常基数排序采用的是LSD方式。
LSD基数排序实现的基本思路是将所有待比较数值（正整数）统一为同样的数位长度，数位较短的数前面补零。然后，从最低位开始，依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后, 数列就变成一个有序序列。需要注意的是，对每一个数位进行排序的算法必须是稳定的，否则就会取消前一次排序的结果。通常我们使用计数排序或者桶排序作为基数排序的辅助算法。基数排序过程动画演示：Radix Sort
C++实现（使用计数排序）如下：
/************************************************************************* > File Name: RadixSort.cpp > Author: SongLee ************************************************************************/ #include<iostream> using namespace std; // 找出整数num第n位的数字 int findIt(int num, int n) { int power = 1; for (int i = 0; i < n; i++) { power *= 10; } return (num % power) * 10 / power; } // 基数排序（使用计数排序作为辅助） void RadixSort(int A[], int len, int k) { for(int i=1; i<=k; ++i) { int C[10] = {0}; // 计数数组 int B[len]; // 结果数组 for(int j=0; j<len; ++j) { int d = findIt(A[j], i); C[d] += 1; } for(int j=1; j<10; ++j) C[j] = C[j] + C[j-1]; for(int j=len-1; j>=0; --j) { int d = findIt(A[j], i); C[d] -= 1; B[C[d]] = A[j]; } // 将B中排好序的拷贝到A中 for(int j=0; j<len; ++j) A[j] = B[j]; } } // 输出数组 void print(int A[], int len) { for(int i=0; i<len; ++i) cout << A[i] << " "; cout << endl; } // 测试 int main() { int A[8] = {332, 653, 632, 5, 755, 433, 722, 48}; print(A, 8); RadixSort(A, 8, 3); print(A, 8); return 0; }
基数排序的时间复杂度是 O(k·n)，其中n是排序元素个数，k是数字位数。注意这不是说这个时间复杂度一定优于O(nlgn)，因为n可能具有比较大的系数k。
另外，基数排序不仅可以对整数排序，也可以对有多个关键字域的记录进行排序。例如，根据三个关键字年、月、日来对日期进行排序。
【C++线性时间的排序算法分析】相关文章：