算法在游戏领域的应用：Unity3D中使用快速排序对排行榜，背包等集合进行排序以及优缺点分析_unity快速排序

作者：你好赵伟 | 2024-04-06 03:14:26

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unity快速排序

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前言

在游戏领域中，经常会需要使用到排序的功能，例如玩家整理背包后对道具按稀有度，获得日期，ID等进行排序，或者在排行榜中对玩家的得分进行排序。不同的排序算法有不同的适用环境，有的排序在特定情况下排序的速度会更快，但却在另一种情况下不如其他的排序算法。因此我们需要根据不同的情况选择不同的算法。

本篇文章中，使用C#代码，让我们看一下如何将快速排序应用到游戏中。

一、什么是快速排序？

快速排序的定义

快速排序是一种常用的排序算法，时间复杂度为O(nlog n)，空间复杂度为O(log n)，它是一种不稳定的排序算法，在处理大规模数据时，快速排序的效率是最高的，因此使用最广泛。

快速排序的缺点

不稳定：快速排序是一种不稳定的排序算法，不稳定体现在排序过后，相同值元素在排序前的相对位置可能发生改变，举个例子，比如给一个班的学生按成绩进行排序，小明和小红的分数相同，在排序前，小明在小红的前面，而排序后，小红变到了小明的前面。

特定情况下时间复杂度退化到O(n^2)：在待排序集合基本处于有序的情况下，快速排序时间复杂度退化到O(n^2),变成选择排序。

二、快速排序的实现以及优化

我们以对班级学生按成绩进行排序举例

1.基本快排代码


public class Stu 
{
    public string Name;
    public int Score;
 
    public Stu(string name, int score)
    {
        Name = name;
        Score = score;
    }
}
class Program
{
    static void Main()
    {
        
        List<Stu> list = new List<Stu>() { 
            new Stu("小明", 100), new Stu("小红", 99), new Stu("小刚", 98),
            new Stu("小伟", 99), new Stu("小强", 100),
        };
        
        QuickSort(list, 0, list.Count - 1);
    }
    public static void QuickSort(List<Stu> list, int left, int right)
    {
 
        if (left >= right) return;
 
        Stu pivot = list[left];
        int i = left + 1, j = right;
        while (i < j)
        {
            while (i < j && list[i].Score >= pivot.Score) ++i;
            while (i < j && list[j].Score < pivot.Score) --j;
            if (i < j)
            {
                (list[i], list[j]) = (list[j], list[i]);
            }
 
        }
        if (list[i].Score < pivot.Score) --i;
        (list[i], list[left]) = (list[left], list[i]);
        QuickSort(list, left, i - 1);
        QuickSort(list, i + 1, right);
    }
}

(list[i], list[j]) = (list[j], list[i]);为交换i和j的值

上面的排序算法正确的对每一个学生的成绩进行了排序，但是，成绩相同的两位同学的相对位置发生了变化，在排序前，小明排在小强的前面，但是排序后小强排到了小明的前面，有时这并不是我们想要的

2.优化后的排序算法


public class Stu : IComparable<Stu>
{
    public string Name;
    public int Score;
    int ID;
 
    public Stu(string name, int score, int id)
    {
        Name = name;
        Score = score;
        ID = id;
    }
 
    public int CompareTo(Stu other)
    {
        if (other.Score != Score) return other.Score - Score;
        return ID - other.ID;
    }
}
class Program
{
    static void Main()
    {
        List<Stu> list = new List<Stu>() { 
            new Stu("小明", 100, 1), new Stu("小红", 99, 2), new Stu("小刚", 98, 3),
            new Stu("小伟", 99, 4), new Stu("小强", 100, 5),
        };
        //list.Sort();因为Stu实现了IComparable接口，因此可以直接利用自带的排序方法
        QuickSort2(list, 0, list.Count - 1);
 
    }
    public static void QuickSort2(List<Stu> list, int left, int right)
    {
 
        if (left >= right) return;
        Stu pivot = list[left];
        int i = left + 1, j = right;
        while (i < j)
        {
            while (i < j && list[i].CompareTo(pivot) <= 0) ++i;
            while (i < j && list[j].CompareTo(pivot) > 0) --j;
            if (i < j)
            {
                (list[i], list[j]) = (list[j], list[i]);
            }
 
        }
        if (list[i].CompareTo(pivot) > 0) --i;
        (list[i], list[left]) = (list[left], list[i]);
        QuickSort2(list, left, i - 1);
        QuickSort2(list, i + 1, right);
    }
}

为了保证排序后相对顺序不变，我加入了一个新的字段ID，ID不会重复，排序的规则变成了以分数优先，其次再按ID进行排序，ID大的排在后面

整体的排序思路变为小于等于pivot的元素放在pivot的左边，大于pivot的元素放在右边，CompareTo用于比较两个元素的大小

为什么继承IComparable接口？

继承这个接口后，可以直接利用.net自带的排序方法进行排序，.net自带的方法在排序方面做了更多的优化，效率更高，可以省去自己再写排序的代码的时间。

CompareTo的返回值用于判断大小，如果返回正数，说明比传入的对象大，负数说明小于传入的对象

.net对排序做的优化：

在排序的元素较少的情况下，使用插入排序
在元素较多时使用内省排序，原理为快速排序+堆排序，这个排序算法首先从快速排序开始，当递归深度超过一定深度（深度为排序元素数量的对数值）后转为堆排序

如何减少快排的最差情况

当数组基本有序时，快排会退化成选择排序，时间复杂度变为O(n^2)，因此使用插入排序更合适，插入排序在数组基本有序的情况下的时间复杂度为O(n)

冒泡排序做一下优化也可以在数组基本有序的情况下复杂度为O(n)，做法为在每一趟排序结束后做一次判断，如果这一趟排序没有元素发生交换，说明数组已经有序，直接终止排序

如果一定要用快排，可以从以下两方面入手

避免数组有序
随机选择pivot点

避免数组有序可以使用洗牌算法在排序前先打乱数组，来减少最差情况

随机选取pivot点的实现可以参考文章顶部的相关资料


public static void Shuffle(int[] nums)
{
    Random rand = new Random();
    int n = nums.Length;
    for(int i=0;i<n; ++i)
    {
        int index=rand.Next(i, n);
        (nums[i], nums[index]) = (nums[index], nums[i]);
    }
}

总结

本文介绍了快速排序在游戏领域的应用，展示了快速排序不稳定的特点会导致的问题，并提供解决方案，以及最大程度上减少快排退化成O(n^2)的可能性

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