Quicksort

Quicksort en acción sobre una lista de números aleatorios. Las líneas horizontales son valores pivote.

El ordenamiento rápido (quicksort en inglés) es un algoritmo basado en la técnica de divide y vencerás, que permite, en promedio, ordenar n elementos en un tiempo proporcional a n log n.

Descripción del algoritmo

El algoritmo fundamental es el siguiente:

• Elegir un elemento de la lista de elementos a ordenar, al que llamaremos pivote.
• Resituar los demás elementos de la lista a cada lado del pivote, de manera que a un lado queden todos los menores que él, y al otro los mayores. Los elementos iguales al pivote pueden ser colocados tanto a su derecha como a su izquierda, dependiendo de la implementación deseada. En este momento, el pivote ocupa exactamente el lugar que le corresponderá en la lista ordenada.
• La lista queda separada en dos sublistas, una formada por los elementos a la izquierda del pivote, y otra por los elementos a su derecha.
• Repetir este proceso de forma recursiva para cada sublista mientras éstas contengan más de un elemento. Una vez terminado este proceso todos los elementos estarán ordenados.

Como se puede suponer, la eficiencia del algoritmo depende de la posición en la que termine el pivote elegido.

• En el mejor caso, el pivote termina en el centro de la lista, dividiéndola en dos sublistas de igual tamaño. En este caso, el orden de complejidad del algoritmo es O(n·log n).
• En el peor caso, el pivote termina en un extremo de la lista. El orden de complejidad del algoritmo es entonces de O(n²). El peor caso dependerá de la implementación del algoritmo, aunque habitualmente ocurre en listas que se encuentran ordenadas, o casi ordenadas. Pero principalmente depende del pivote, si por ejemplo el algoritmo implementado toma como pivote siempre el primer elemento del array, y el array que le pasamos esta ordenado, siempre va a generar a su izquierda un array vacío, lo que es ineficiente.

• En el caso promedio, el orden es O(n·log n).

No es extraño, pues, que la mayoría de optimizaciones que se aplican al algoritmo se centren en la elección del pivote.

Demostración

Podriamos probar el orden de ejecución en el mejor caso de la siguiente manera:

Vamos a suponer que el número total de elementos a ordenar es potencia de dos, es decir, $n=2^{k}$. de aquí podemos ver que $k=log_{2}(n)$, donde k es el número de divisiones que realizará el algoritmo.

En la primera fase del algoritmo habrán n comparaciones, en la segunda fase el algoritmo creará dos sublistas aproximadamente de tamaño n/2. El número total de comparaciones de estas dos sublistas es: 2(n/2) = n. En la tercera fase el algoritmo procesará 4 sublistas más, por tanto el número total de comparaciones en esta fase es 4(n/4) = n.

En conclusión, el número total de comparaciones que hace el algoritmo es:

$n+n+n+.....+n=kn$, donde $k=log_{2}(n)$, por tanto el tiempo de ejecución del algoritmo en el mejor caso es $O(n.log_{2}n)$

Optimización del algoritmo

Cabe destacar que de usarse en su versión recursiva las siguientes optimizaciones y sus desventajas no se ven vistas en el tiempo de ejecución del mismo manteniéndose, así el tiempo de ejecución planteado en un principio.

Técnicas de elección del pivote

El algoritmo básico Quicksort permite tomar cualquier elemento de la lista como pivote, dependiendo de la particion n que se elija, el algoritmo será más o menos eficiente.

• Tomar un elemento cualquiera como pivote tiene la ventaja de no requerir ningún cálculo adicional, lo cual lo hace bastante rápido. Sin embargo, esta elección «a ciegas» siempre provoca que el algoritmo tenga un orden de O(n²) para ciertas permutaciones de los elementos en la lista.
• Otra opción puede ser recorrer la lista para saber de antemano qué elemento ocupará la posición central de la lista, para elegirlo como pivote. Esto puede hacerse en O(n) y asegura que hasta en el caso peor el algoritmo sea O(n·log n). No obstante, el cálculo adicional rebaja bastante la eficiencia del algoritmo en el caso promedio.
• La opción a medio camino es tomar tres elementos de la lista - por ejemplo, el primero, el segundo, y el último - y compararlos, eligiendo el valor del medio como pivote.

Técnicas de reposicionamiento

Una idea preliminar para ubicar el pivote en su posición final sería contar la cantidad de elementos menores que él, y colocarlo un lugar más arriba, moviendo luego todos esos elementos menores que él a su izquierda, para que pueda aplicarse la recursividad.

Existe, no obstante, un procedimiento mucho más efectivo. Se utilizan dos índices: i, al que llamaremos índice izquierdo, y j, al que llamaremos índice derecho. El algoritmo es el siguiente:

• Recorrer la lista simultáneamente con i y j: por la izquierda con i (desde el primer elemento), y por la derecha con j (desde el último elemento).
• Cuando lista[i] sea mayor que el pivote y lista[j] sea menor, se intercambian los elementos en esas posiciones.
• Repetir esto hasta que se crucen los índices.
• El punto en que se cruzan los índices es la posición adecuada para colocar el pivote, porque sabemos que a un lado los elementos son todos menores y al otro son todos mayores (o habrían sido intercambiados).

Transición a otro algoritmo

Como se comentó antes, el algoritmo quicksort ofrece un orden de ejecución O(n²) para ciertas permutaciones "críticas" de los elementos de la lista, que siempre surgen cuando se elige el pivote «a ciegas». La permutación concreta depende del pivote elegido, pero suele corresponder a secuencias ordenadas. Se tiene que la probabilidad de encontrarse con una de estas secuencias es inversamente proporcional a su tamaño.

• Los últimos pases de quicksort son numerosos y ordenan cantidades pequeña de elementos. Un porcentaje medianamente alto de ellos estarán dispuestos de una manera similar al peor caso del algoritmo, volviendo a éste ineficiente. Una solución a este problema consiste en ordenar las secuencias pequeñas usando otro algoritmo. Habitualmente se aplica el algoritmo de inserción para secuencias de tamaño menores de 8-15 elementos.
• Pese a que en secuencias largas de elementos la probabilidad de hallarse con una configuración de elementos "crítica" es muy baja, esto no evita que sigan apareciendo (a veces, de manera intencionada). El algoritmo introsort es una extensión del algoritmo quicksort que resuelve este problema utilizando heapsort en vez de quicksort cuando el número de recursiones excede al esperado.

• Parámetros:
  • Se debe llamar a la función Quicksort desde donde quiera ejecutarse
  • Ésta llamará a colocar pivote para encontrar el valor del mismo
  • Se ejecutará el algoritmo Quicksort de forma recursiva a ambos lados del pivote

    int colocar(int *v, int b, int t)
{
    int i;
    int pivote, valor_pivote;
    int temp;
    
    pivote = b;
    valor_pivote = v[pivote];
    for (i=b+1; i<=t; i++){
        if (v[i] < valor_pivote){
                 pivote++;    
                temp=v[i];
                v[i]=v[pivote];
                v[pivote]=temp;
                
        }
    }
    temp=v[b];
    v[b]=v[pivote];
    v[pivote]=temp;
    return pivote;
}       





void Quicksort(int* v, int b, int t)
{
     int pivote;
     if(b < t){
        pivote=colocar(v, b, t);
        Quicksort(v, b, pivote-1);
        Quicksort(v, pivote+1, t);
     }  
}

Nota: Los tres parámetros de la llamada inicial serán array[0], array[0], array[final], es decir, si es un array de 6 elementos array[0], array[0], array[5]

Ejemplo

En el siguiente ejemplo se marcan el pivote y los índices i y j con las letras p, i y j respectivamente.

Comenzamos con la lista completa. El elemento divisor será el 4:

5 - 3 - 7 - 6 - 2 - 1 - 4
                        p

Comparamos con el 5 por la izquierda y el 1 por la derecha.

5 - 3 - 7 - 6 - 2 - 1 - 4 
i                   j   p

5 es mayor que 4 y 1 es menor. Intercambiamos:

1 - 3 - 7 - 6 - 2 - 5 - 4
i                   j   p 

Avanzamos por la izquierda y la derecha:

1 - 3 - 7 - 6 - 2 - 5 - 4
    i           j       p 

3 es menor que 4: avanzamos por la izquierda. 2 es menor que 4: nos mantenemos ahí.

1 - 3 - 7 - 6 - 2 - 5 - 4
        i       j       p 

7 es mayor que 4 y 2 es menor: intercambiamos.

1 - 3 - 2 - 6 - 7 - 5 - 4
        i       j       p 

Avanzamos por ambos lados:

1 - 3 - 2 - 6 - 7 - 5 - 4
           iyj          p 

En este momento termina el ciclo principal, porque los índices se cruzaron. Ahora intercambiamos lista[i] con lista[sup] (pasos 16-18):

1 - 3 - 2 - 4 - 7 - 5 - 6
            p 

Aplicamos recursivamente a la sublista de la izquierda (índices 0 - 2). Tenemos lo siguiente:

1 - 3 - 2 

1 es menor que 2: avanzamos por la izquierda. 3 es mayor: avanzamos por la derecha. Como se intercambiaron los índices termina el ciclo. Se intercambia lista[i] con lista[sup]:

1 - 2 - 3 

El mismo procedimiento se aplicará a la otra sublista. Al finalizar y unir todas las sublistas queda la lista inicial ordenada en forma ascendente.

1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7

Implementaciones

El algoritmo de ordenamiento rápido (Quicksort) en:

C++

void quicksort( v, iz, der) 
{
    if (iz < der)  // corta recursividad
	{
        primero= iz;
        ultimo= der;
        valPivote = v[iz]; // ELECCION DEL PIVOTE estándar, hay otras formas de elección

        while (iz<der)  
	{                          //&& iz < der UNICAMENTE SI LA ELECCION DEL PIVOTE NO ES ESTANDAR
            while(v[iz] < valPivote  && iz < der) iz++;   //avanzo por izquierda hasta uno mayor a pivote
            while(valPivote < v[der] && iz < der) der--;  //avanzo por derecha hasta uno menor a pivote
            swap(v[iz], v[der]);  
        }
 
        quicksort(v, primero, iz - 1);
        quicksort(v, iz + 1, ultimo);
    }
}

Java

//Recibe un vector de enteros y el índice del primer y último elemento válido del mismo

void ordenarQuicksort(int[] vector, int primero, int ultimo){
    	int i=primero, j=ultimo;
    	int pivote=(vector[primero]+vector[ultimo])/2;
    	int auxiliar;
    	
    	do{
    		while(vector[i]<pivote) i++;    		
    		while(vector[j]>pivote) j--;
    		
    		if (i<=j){
    			auxiliar=vector[j];
    			vector[j]=vector[i];
    			vector[i]=auxiliar;
    			i++;
    			j--;
    		}
    		
    	} while (i<=j);
    	
    	if(primero<j) ordenarQuicksort(vector,primero, j);
    	if(ultimo>i) ordenarQuicksort(vector,i, ultimo);
    }

C Sharp

void Quicksort(int[] v, int prim, int ult)
{
	if (prim < ult)
	{
		/* Selecciona un elemento del vector y coloca los menores
		 que él a su izquierda y los mayores a su derecha */
		int p = Pivote(v, prim, ult, ult);
		
		/* Repite el proceso para cada una de las 
		 particiones generadas en el paso anterior */
		Quicksort(v, prim, p - 1);
		Quicksort(v, p + 1, ult);
	}
}

/* Implementación no clásica de la función Pivote. En lugar de
recorrer el vector simultáneamente desde ambos extremos hasta el
cruce de índices, se recorre desde el comienzo hasta el final */
int Pivote(int[] v, int prim, int ult, int piv)
{
	int p = v[piv];
	int j = prim;

	// Mueve el pivote a la última posición del vector
	Intercambia(v, piv, ult);

	/* Recorre el vector moviendo los elementos menores
	 o iguales que el pivote al comienzo del mismo */
	for (int i = prim; i < ult; i++)
	{
		if (v[i] <= p)
		{
			Intercambia(v, i, j);
			j++;
		}
	}

	// Mueve el pivote a la posición que le corresponde
	Intercambia(v, j, ult);
			
	return j;
}

void Intercambia(int[] v, int a, int b)
{
	if (a != b)
	{
		int tmp = v[a];
		v[a] = v[b];
		v[b] = tmp;
	}
}

Otra en C. Trabaja sólo con punteros (no índices). Ordena enteros de menor a mayor. Pivot: El primero del vector.

void quicksort(int* izq, int* der) /*Se llama con: quicksort(&vector[0],&vector[n-1]);*/
{
	if(der<izq) return;
	int pivot=*izq;
	int* ult=der;
	int* pri=izq;

	while(izq<der)
	{
		while(*izq<=pivot && izq<der+1) izq++;
		while(*der>pivot && der>izq-1) der--;
		if(izq<der) swap(izq,der);
	}
	swap(pri,der);
	quicksort(pri,der-1);
	quicksort(der+1,ult);
}

void swap(int* a, int* b)
{
	int temp=*a;
	*a=*b;
	*b=temp;
}

en asm

;implementada en asm por ny0x, ensamblador usado fasm
quicksort:
         push ebp
         mov ebp,esp
         push esi
         push ebx
         push ecx
         push edx
         mov ebx,dword[ebp + 12]
         mov ecx,dword[ebp + 16]
         cdq
         mov eax, ebx
         add eax, ecx
         push ecx
         mov ecx,2
         div ecx
         pop ecx
         xchg edx,eax
         mov esi, [ebp + 8]
         mov edx,dword[esi + edx * 4]
         qs@L1:
                qs@L1@L1:
                        cmp dword[esi + ebx * 4],edx
                        jge qs@L1@L1@out
                        inc ebx
                        jmp qs@L1@L1
                qs@L1@L1@out:
                qs@L1@L2:
                        cmp dword[esi + ecx * 4],edx
                        jle qs@L1@L2@out
                        dec ecx
                        jmp qs@L1@L2
                qs@L1@L2@out:
                qs@L1@IF1:
                        cmp ebx, ecx
                        jg qs@L1@IF1@out
                        mov eax, dword[esi + ebx * 4]
                        xchg eax, dword[esi + ecx * 4]
                        mov dword[esi + ebx * 4], eax
                        inc ebx
                        dec ecx
                qs@L1@IF1@out:
                cmp ebx,ecx
                jle qs@L1
         qs@L1@out:
         qs@IF1:
                cmp dword[ebp + 12],ecx
                jge qs@IF1@out
                push ecx
                push dword[ebp + 12]
                push esi
                call quicksort
         qs@IF1@out:
         qs@IF2:
                cmp ebx, dword[ebp + 16]
                jge qs@IF2@out
                push dword[ebp + 16]
                push ebx
                push esi
                call quicksort
         qs@IF2@out:
         pop edx
         pop ecx
         pop ebx
         pop esi
         pop ebp
retn 12

Véase también

• Algoritmo de ordenamiento.

Referencias

• Quick Sort - Implementación en C
• Ordenamiento rápido, Implementación y descripción
• Explicación vídeo de Quicksort usando tarjetas y del código en C++ Video
• Quick Sort - Implementación en C,PHP,C++,C#,Java,VB,Perl,Prolog,Ruby
• QuickSort C Code