桶排序 (Bucket sort)

桶排序 (Bucket sort)或所谓的箱排序，是一个排序算法，工作的原理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或是以递归方式继续使用桶排序进行排序）。桶排序是鸽巢排序的一种归纳结果。当要被排序的数组内的数值是均匀分配的时候，桶排序使用线性时间（Θ（n））。但桶排序并不是 比较排序，他不受到 O(n log n) 下限的影响。
桶排序以下列程序进行：

  1. 设置一个定量的数组当作空桶子。
  2. 寻访序列，并且把项目一个一个放到对应的桶子去。
  3. 对每个不是空的桶子进行排序。
  4. 从不是空的桶子里把项目再放回原来的序列中。

代价

桶排序利用函数的映射关系，减少了几乎所有的比较工作。实际上，桶排序的f(k)值的计算，其作用就相当于快排中划分，已经把大量数据分割成了基本有序的数据块(桶)。然后只需要对桶中的少量数据做先进的比较排序即可。
对N个关键字进行桶排序的时间复杂度分为两个部分：
:
(1) 循环计算每个关键字的桶映射函数，这个时间复杂度是O(N)。
(2) 利用先进的比较排序算法对每个桶内的所有数据进行排序，其时间复杂度为 ∑ O(Ni*logNi) 。其中Ni 为第i个桶的数据量。

很显然，第(2)部分是桶排序性能好坏的决定因素。尽量减少桶内数据的数量是提高效率的唯一办法(因为基于比较排序的最好平均时间复杂度只能达到O(N*logN)了)。因此，我们需要尽量做到下面两点：
:
(1) 映射函数f(k)能够将N个数据平均的分配到M个桶中，这样每个桶就有[N/M]个数据量。
(2) 尽量的增大桶的数量。极限情况下每个桶只能得到一个数据，这样就完全避开了桶内数据的“比较”排序操作。

当然，做到这一点很不容易，数据量巨大的情况下，f(k)函数会使得桶集合的数量巨大，空间浪费严重。这就是一个时间代价和空间代价的权衡问题了。

对于N个待排数据，M个桶，平均每个桶[N/M]个数据的桶排序平均时间复杂度为：
O(N)+O(M(N/M)log(N/M))=O(N+N(logN-logM))=O(N+NlogN-N*logM)
当N=M时，即极限情况下每个桶只有一个数据时。桶排序的最好效率能够达到O(N)。

总结：桶排序的平均时间复杂度为线性的O(N+C)，其中C=N*(logN-logM)。如果相对于同样的N，桶数量M越大，其效率越高，最好的时间复杂度达到O(N)。当然桶排序的空间复杂度为O(N+M)，如果输入数据非常庞大，而桶的数量也非常多，则空间代价无疑是昂贵的。此外，桶排序是稳定的。

伪代码

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function bucket-sort(array, n) is
  buckets ← new array of n empty lists
  for i = 0 to (length(array)-1) do
    insert array[i] into buckets[msbits(array[i], k)]
  for i = 0 to n - 1 do
    next-sort(buckets[i])
  return the concatenation of buckets[0], ..., buckets[n-1]

代码实现

###C++
假设数据分布在[0，100)之间，每个桶内部用链表表示，在数据入桶的同时插入排序。然后把各个桶中的数据合并。

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#include<iterator>
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
const int BUCKET_NUM = 10;

struct ListNode{
	explicit ListNode(int i=0):mData(i),mNext(NULL){}
	ListNode* mNext;
	int mData;
};

ListNode* insert(ListNode* head,int val){
	ListNode dummyNode;
	ListNode *newNode = new ListNode(val);
	ListNode *pre,*curr;
	dummyNode.mNext = head;
	pre = &dummyNode;
	curr = head;
	while(NULL!=curr && curr->mData<=val){
		pre = curr;
		curr = curr->mNext;
	}
	newNode->mNext = curr;
	pre->mNext = newNode;
	return dummyNode.mNext;
}


ListNode* Merge(ListNode *head1,ListNode *head2){
	ListNode dummyNode;
	ListNode *dummy = &dummyNode;
	while(NULL!=head1 && NULL!=head2){
		if(head1->mData <= head2->mData){
			dummy->mNext = head1;
			head1 = head1->mNext;
		}else{
			dummy->mNext = head2;
			head2 = head2->mNext;
		}
		dummy = dummy->mNext;
	}
	if(NULL!=head1) dummy->mNext = head1;
	if(NULL!=head2) dummy->mNext = head2;
	
	return dummyNode.mNext;
}

void BucketSort(int n,int arr[]){
	vector<ListNode*> buckets(BUCKET_NUM,(ListNode*)(0));
	for(int i=0;i<n;++i){
		int index = arr[i]/BUCKET_NUM;
		ListNode *head = buckets.at(index);
		buckets.at(index) = insert(head,arr[i]);
	}
	ListNode *head = buckets.at(0);
	for(int i=1;i<BUCKET_NUM;++i){
		head = Merge(head,buckets.at(i));
	}
	for(int i=0;i<n;++i){
		arr[i] = head->mData;
		head = head->mNext;
	}
}

Java

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/**
    * @param a 待排序数组元素
    * @param step 步长(桶的宽度/区间),具体长度可根据情况设定
    * @return 桶的位置/索引
    */
   private int indexFor(int a,int step){
       return a/step;
   }
   public void bucketSort(int []arr){

       int max=arr[0],min=arr[0];
       for (int a:arr) {
           if (max<a)
               max=a;
           if (min>a)
               min=a;
       }
       //该值也可根据实际情况选择
       int bucketNum=max/10-min/10+1;
       List buckList=new ArrayList<List<Integer>>();
       //create bucket
       for (int i=1;i<=bucketNum;i++){
           buckList.add(new ArrayList<Integer>());
       }
       //push into the bucket
       for (int i=0;i<arr.length;i++){
           int index=indexFor(arr[i],10);
           ((ArrayList<Integer>)buckList.get(index)).add(arr[i]);
       }
       ArrayList<Integer> bucket=null;
       int index=0;
       for (int i=0;i<bucketNum;i++){
           bucket=(ArrayList<Integer>)buckList.get(i);
           insertSort(bucket);
           for (int k : bucket) {
               arr[index++]=k;
           }
       }

   }
   //把桶内元素插入排序
   private void insertSort(List<Integer> bucket){
       for (int i=1;i<bucket.size();i++){
           int temp=bucket.get(i);
           int j=i-1;
           for (; j>=0 && bucket.get(j)>temp;j--){
               bucket.set(j+1,bucket.get(j));
           }
           bucket.set(j+1,temp);
       }
   }
参考资料
  1. 维基百科-桶排序
  2. 百度百科-桶排序