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C++ 实现快速选择算法查找第 K 大数值 _ 平均复杂度 O(n)【源码】

星丽小哥_7148

星丽小哥_7148

发布时间:2026-05-12 18:17:35

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来源于php中文网

原创

可采用快速选择算法,基于Lomuto或Hoare分区方案,通过递归缩小搜索范围,在平均O(n)时间内找到第K大数。

c++ 实现快速选择算法查找第 k 大数值 _ 平均复杂度 o(n)【源码】

如果需要在未排序的数组中查找第 K 大的数值,且要求平均时间复杂度为 O(n),可采用快速选择算法。该算法基于快速排序的分区思想,通过递归缩小搜索范围,避免完全排序。以下是实现该算法的具体步骤:

一、基于 Lomuto 分区方案的快速选择

该方法每次选取末尾元素作为基准,将数组划分为小于等于和大于基准的两部分,并根据分区后基准的最终位置决定下一步递归方向。其空间复杂度为 O(1)(迭代优化后),平均时间复杂度为 O(n)。

1、定义函数 int quickSelect(vector& nums, int left, int right, int k),其中 k 表示目标索引(从 0 开始,对应第 (k+1) 大数)。

2、调用分区函数 partition(nums, left, right),返回基准元素的最终下标 pos。

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3、若 pos 等于 k,则直接返回 nums[pos]。

4、若 pos 小于 k,则在右子区间 [pos + 1, right] 中递归查找。

5、若 pos 大于 k,则在左子区间 [left, pos - 1] 中递归查找。

二、基于 Hoare 分区方案的快速选择

该方法使用双向扫描,左右指针向中间移动并交换不满足条件的元素,减少交换次数,提升常数因子性能。适用于对运行效率敏感的场景。

1、定义分区函数 int hoarePartition(vector& nums, int left, int right),初始化 i = left - 1,j = right + 1。

2、内层循环中,i 向右移动直到 nums[i] >= nums[left],j 向左移动直到 nums[j] 。

3、当 i nums[i] 和 nums[j];否则返回 j。

C++14
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4、主函数中依据返回值 j 调整搜索区间,逻辑与 Lomuto 方案一致。

三、随机化基准的快速选择

为避免最坏情况(如已排序数组)导致 O(n²) 时间复杂度,每次递归前随机选择一个索引与右端点交换,使基准元素期望均匀分布。

1、在每次调用分区函数前,生成随机索引 randIdx = left + rand() % (right - left + 1)。

2、交换 nums[randIdx] 与 nums[right]。

3、随后执行标准 Lomuto 或 Hoare 分区流程。

4、确保程序开始时已调用 srand(time(nullptr)) 初始化随机数种子。

四、迭代版本的快速选择(避免递归栈开销)

使用 while 循环替代递归调用,手动维护待处理区间,显著降低函数调用开销与栈溢出风险,尤其适用于大规模数据。

1、初始化变量 left = 0, right = nums.size() - 1。

2、进入循环,执行分区操作获取 pos。

3、若 pos == k,则跳出循环并返回 nums[k]。

4、若 pos left = pos + 1。

5、若 pos > k,则令 right = pos - 1。

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