import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 排序演算法主類
 * 
 * @author eric
 */
class SortArray {

    /*
     * 【插入排序】 
     * 基本思想： 在要排序的一組數中，假設前面(n-1) [n>=2] 個數已經是排好順序的，
     * 現在要把第n個數插到前面的有序數中，使得這n個數也是排好順序的， 如此反覆迴圈，直到全部排好順序。
     */
    public void insertSort(int[] arr) {
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            int j = i - 1;
            int temp = arr[i];
            for (; j >= 0 && temp < arr[j]; j--) {
                arr[j + 1] = arr[j]; // 將大於temp的值整體後移一個單位
            }
            arr[j + 1] = temp;
        }
    }

    /*
     * 【選擇排序】 基本思想： 在要排序的一組數中，選出最小的一個數與第一個位置的數交換,
     * 然後在剩下的數當中再找最小的與第二個位置的數交換，如此迴圈到倒數第二個數和最後一個數比較為止。
     */
    public void selectSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            int position = i;
            int temp = arr[i];
            for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
                if (arr[j] < temp) {
                    temp = arr[j];
                    position = j;
                }
            }
            arr[position] = arr[i];
            arr[i] = temp;
        }
    }

    /*
     * 【氣泡排序】 
     * 基本思想： 在要排序的一組數中， 對當前還未排好序的範圍內的全部數，自上而下對相鄰的兩個數依次進行比較和調整，
     * 讓較大的數往下沉，較小的往上冒。 即：每當兩相鄰的數比較後發現它們的排序與排序要求相反時，就將它們互換。
     */
    public void bubbleSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    swap(arr, j, j + 1);
                }
            }
        }
    }

    /*
     * 【希爾排序】
     * 基本思想：演算法先將要排序的一組數按某個增量d（n/2,n為要排序數的個數）分成若干組，
     * 每組中記錄的下標相差d.對每組中全部元素進行直接插入排序，然後再用一個較小的增量（d/2）對它進行分組，
     * 在每組中再進行直接插入排序。當增量減到1時，進行直接插入排序後，排序完成。
     */
    public void shellSort(int[] arr) {
        
        double d1 = arr.length;
        int temp = 0;
        
        while (true) {
            d1 = Math.ceil(d1 / 2);
            int d = (int) d1;
            for (int x = 0; x < d; x++) {
                for (int i = x + d; i < arr.length; i += d) {
                    int j = i - d;
                    temp = arr[i];
                    for (; j >= 0 && temp < arr[j]; j -= d) {
                        arr[j + d] = arr[j];
                    }
                    arr[j + d] = temp;
                }
            }
            if (d == 1)
                break;
        }
    }

    /*
     * 【堆排序】 
     * 基本思想：堆排序是一種樹形選擇排序，是對直接選擇排序的有效改進。
     * 堆的定義如下：具有n個元素的序列（h1,h2,...,hn),當且僅當滿足（hi>=h2i,hi>=2i+1）
     * 或（hi<=h2i,hi<=2i+1）(i=1,2,...,n/2)時稱之為堆。在這裡只討論滿足前者條件的堆。
     * 由堆的定義可以看出，堆頂元素（即第一個元素）必為最大項（大頂堆）。
     * 完全二叉樹可以很直觀地表示堆的結構。堆頂為根，其它為左子樹、右子樹。
     * 初始時把要排序的數的序列看作是一棵順序儲存的二叉樹，調整它們的儲存序，使之成為一個堆，這時堆的根節點的數最大。
     * 然後將根節點與堆的最後一個節點交換。然後對前面(n-1)個數重新調整使之成為堆。
     * 依此類推，直到只有兩個節點的堆，並對它們作交換，最後得到有n個節點的有序序列。
     * 從演算法描述來看，堆排序需要兩個過程，一是建立堆，二是堆頂與堆的最後一個元素交換位置。
     * 所以堆排序有兩個函式組成。一是建堆的滲透函式，二是反覆呼叫滲透函式實現排序的函式
     */
    public void heapSort(int[] arr) {
        // 迴圈建堆
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            buildMaxHeap(arr, arr.length - 1 - i); // 建堆
            swap(arr, 0, arr.length - 1 - i); // 交換堆頂和最後一個元素
        }
    }

    private void buildMaxHeap(int[] arr, int lastIndex) {
        // 從lastIndex處節點（最後一個節點）的父節點開始
        for (int i = (lastIndex - 1) / 2; i >= 0; i--) {
            // k儲存正在判斷的節點
            int k = i;
            // 如果當前k節點的子節點存在
            while (k * 2 + 1 <= lastIndex) {
                // k節點的左子節點的索引
                int biggerIndex = 2 * k + 1;
                // 如果biggerIndex小於lastIndex，即biggerIndex+1代表的k節點的右子節點存在
                if (biggerIndex < lastIndex) {
                    // 若果右子節點的值較大
                    if (arr[biggerIndex] < arr[biggerIndex + 1]) {
                        // biggerIndex總是記錄較大子節點的索引
                        biggerIndex++;
                    }
                }
                // 如果k節點的值小於其較大的子節點的值
                if (arr[k] < arr[biggerIndex]) {
                    // 交換他們
                    swap(arr, k, biggerIndex);
                    // 將biggerIndex賦予k，開始while迴圈的下一次迴圈，重新保證k節點的值大於其左右子節點的值
                    k = biggerIndex;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }

    /*
     * 【快速排序】 
     * 基本思想：選擇一個基準元素,通常選擇第一個元素或者最後一個元素,通過一趟掃描，將待排序列分成兩部分,
     * 一部分比基準元素小,一部分大於等於基準元素,此時基準元素在其排好序後的正確位置,然後再用同樣的方法遞迴地排序劃分的兩部分。
     */
    public void quickSort(int[] arr) {
        // 檢視陣列是否為空
        if (arr.length > 0) {
            quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
        }
    }

    private void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low < high) {
            int middle = getMiddle(arr, low, high); // 將list陣列進行一分為二
            quickSort(arr, low, middle - 1); // 對低字表進行遞迴排序
            quickSort(arr, middle + 1, high); // 對高字表進行遞迴排序
        }
    }

    private int getMiddle(int[] arr, int low, int high) {
        int temp = arr[low]; // 陣列的第一個作為中軸
        while (low < high) {
            while (low < high && arr[high] >= temp) {
                high--;
            }
            arr[low] = arr[high]; // 比中軸小的記錄移到低端
            while (low < high && arr[low] <= temp) {
                low++;
            }
            arr[high] = arr[low]; // 比中軸大的記錄移到高階
        }
        arr[low] = temp; // 中軸記錄到尾
        return low; // 返回中軸的位置

    }

    /*
     * 【基數排序】 
     * 基本思想：將所有待比較數值（正整數）統一為同樣的數位長度，數位較短的數前面補零。
     * 然後，從最低位開始，依次進行一次排序。這樣從最低位排序一直到最高位排序完成以後,數列就變成一個有序序列。
     */
    @SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    public void radixSort(int[] arr) {
        
        // 首先確定排序的趟數;
        int max = arr[0];
        int time = 0;
        
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            if (arr[i] > max) {
                max = arr[i];
            }
        }
        
        // 判斷位數;
        while (max > 0) {
            max /= 10;
            time++;
        }

        // 建立10個佇列;
        List<ArrayList> queue = new ArrayList<ArrayList>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            ArrayList<Integer> queue1 = new ArrayList<Integer>();
            queue.add(queue1);
        }

        // 進行time次分配和收集;
        for (int i = 0; i < time; i++) {

            // 分配陣列元素;
            for (int j = 0; j < arr.length; j++) {

                // 得到數字的第time+1位數;
                int x = arr[j] % (int) Math.pow(10, i + 1) / (int) Math.pow(10, i);
                ArrayList<Integer> queue2 = queue.get(x);
                queue2.add(arr[j]);
                queue.set(x, queue2);
            }

            int count = 0;// 元素計數器;
            
            // 收集佇列元素;
            for (int k = 0; k < 10; k++) {
                while (queue.get(k).size() > 0) {
                    ArrayList<Integer> queue3 = queue.get(k);
                    arr[count] = queue3.get(0);
                    queue3.remove(0);
                    count++;
                }
            }
        }
    }

    private void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int tmp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = tmp;
    }

    public void printArray(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = { 32, 43, 56, 12, 34, 21, 34, 54, 19 };
        SortArray sa = new SortArray();
        System.out.print("Before Sorting : ");
        sa.printArray(arr); // 排序前列印輸出
        System.out.println();
        // sa.insertSort(arr); // 插入排序
        // sa.selectSort(arr); // 選擇排序
        // sa.bubbleSort(arr); // 氣泡排序
        // sa.shellSort(arr); // 希爾排序
        // sa.heapSort(arr); // 堆排序
        // sa.quickSort(arr); // 快速排序
        // sa.mergingSort(arr, 0, arr.length - 1 ); // 歸併排序
        sa.radixSort(arr); // 基數排序
        System.out.print("After Sorting : ");
        sa.printArray(arr); // 排序後列印輸出
    }

}