อัลกอริธึม Quick Sort และการใช้งานด้วยภาษา Fortran

 

ในโลกของการเขียนโปรแกรมและการพัฒนาซอฟต์แวร์ การจัดเรียงข้อมูลเป็นหนึ่งในกระบวนการที่มีความสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราต้องจัดการกับข้อมูลจำนวนมาก ในบทความนี้เราจะมาเจาะลึกเกี่ยวกับอัลกอริธึม "Quick Sort" ซึ่งเป็นอัลกอริธึมที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจัดเรียงข้อมูล และเราจะเขียนโปรแกรมตัวอย่างด้วยภาษา Fortran เพื่อให้เข้าใจกระบวนการทำงานของมัน

 

Quick Sort คืออะไร?

Quick Sort เป็นอัลกอริธึมการจัดเรียงที่พัฒนาโดย Tony Hoare ในปี 1960 เป็นวิธีการจัดเรียงข้อมูลที่อิงตามแนวคิด "Divide and Conquer" ซึ่งหมายถึงการแบ่งข้อมูลออกเป็นส่วนย่อย ๆ แล้วทำการจัดเรียงแต่ละส่วนก่อนที่จะนำมารวมกัน

แนวคิดหลักของ Quick Sort:

1. เลือก Pivot: จากอาร์เรย์ที่ต้องการจัดเรียง จะมีการเลือกค่า 1 ค่าเรียกว่า "Pivot" ซึ่งจะใช้ในการแยกอาร์เรย์ออกเป็น 2 ส่วน 2. Partition: จัดกลุ่มค่าให้อยู่ด้านซ้ายของ Pivot (ค่าที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ Pivot) และด้านขวาของ Pivot (ค่าที่มากกว่า Pivot) 3. Recursive Sort: ทำซ้ำขั้นตอนนี้กับทั้งสองส่วนจนกว่าข้อมูลทั้งหมดจะถูกจัดเรียง

การใช้งาน Quick Sort

Quick Sort ถูกใช้อย่างกว้างขวางในหลาย ๆ แพล็ตฟอร์มและในระบบที่ต้องการประสิทธิภาพสูงในการจัดเรียงข้อมูล เช่น ฐานข้อมูล, ระบบการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่ และแม้กระทั่งในเกมที่ต้องการจัดอันดับคะแนนสูง

 

ตัวอย่างโค้ด Quick Sort ด้วย Fortran

มาติดตามกันที่การนำอัลกอริธึม Quick Sort มาทดสอบโดยการเขียนโปรแกรมในภาษา Fortran:

 program quicksort
  implicit none
  integer, dimension(10) :: arr = [3, 6, 8, 10, 1, 2, 1, 5, 7, 4]
  integer :: n, i

  n = size(arr)
  call quicksort(arr, 1, n)

  print *, "Sorted array: ", arr
end program quicksort

subroutine quicksort(array, low, high)
  integer, intent(inout) :: array(:)
  integer, intent(in) :: low, high
  integer :: pivot, i, j, temp

  if (low < high) then
    pivot = array(high)
    i = low - 1
    do j = low, high - 1
      if (array(j) <= pivot) then
        i = i + 1
        temp = array(i)
        array(i) = array(j)
        array(j) = temp
      endif
    end do
    temp = array(i + 1)
    array(i + 1) = array(high)
    array(high) = temp
    call quicksort(array, low, i)
    call quicksort(array, i + 2, high)
  endif
end subroutine quicksort

อธิบายโค้ดที่ใช้:

1. การกำหนดอาร์เรย์: ในตัวอย่างนี้ เราได้กำหนดอาร์เรย์ `arr` ที่มีข้อมูล 10 ค่า ที่จะต้องถูกจัดเรียง 2. การเรียกใช้งาน Quick Sort: เราเรียกใช้ซับรูทีน `quicksort` โดยผ่านอาร์เรย์และกำหนดช่วงที่ต้องการจัดเรียง 3. การสลับค่า: ส่วนหลักของอัลกอริธึมอยู่ในคำสั่ง `do` จะทำการวนลูปเพื่อเปรียบเทียบค่าในอาร์เรย์กับพีวอตและทำการสลับค่าตามเงื่อนไขที่ถูกกำหนด

 

Complexity Analysis

เมื่อพิจารณาคอมเพล็กซิตี้ของ Quick Sort จะพบว่า:

- Best and Average Case: O(n log n) เนื่องจากในกรณีที่ Pivot ถูกเลือกอย่างเหมาะสม ค่าในการแบ่งข้อมูลจะเหมาะสมที่สุด - Worst Case: O(n^2) หาก Pivot ถูกเลือกไม่เหมาะสม เช่น เป็นค่าที่น้อยที่สุดหรือมากที่สุด ทำให้พาร์ติชันไม่สมดุล

ถึงแม้ว่า Quick Sort จะมีกรณีที่แย่ แต่ในทางปฏิบัติ Quick Sort เป็นอัลกอริธึมการจัดเรียงที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

 

ข้อดีข้อเสียของ Quick Sort

ข้อดี

1. ประสิทธิภาพสูง: Quick Sort มักจะมีประสิทธิภาพดีกว่า Merge Sort และ Bubble Sort 2. การใช้งานในสถานที่: Quick Sort จะใช้พื้นที่ในหน่วยความจำที่น้อยกว่าอัลกอริธึมการจัดเรียงอื่น ๆ เช่น Merge Sort 3. ประมวลผลเร็วในกรณีเฉลี่ย: Quick Sort สามารถจัดเรียงข้อมูลได้อย่างรวดเร็วในกรณีเฉลี่ย

ข้อเสีย

1. Worst-case Complexity: กรณีที่เลวร้ายจะเกิดขึ้นได้หาก Pivot ถูกเลือกไม่ดี ทำให้มีประสิทธิภาพต่ำ 2. ไม่ Stable: Quick Sort ไม่ใช่อัลกอริธึมการจัดเรียงที่เสถียร หมายถึง องค์ประกอบที่มีค่าที่ยเท่ากันอาจจะถูกเรียงใหม่ 3. การสร้าง Recursive Call Stack: อาจเกิดปัญหาถ้าข้อมูลจำนวนมากถูกจัดเรียง Deep Recursion

 

สรุป

สรุปได้ว่า Quick Sort เป็นอัลกอริธึมการจัดเรียงที่มีประสิทธิภาพและเหมาะสมสำหรับการใช้งานหลายรูปแบบ ด้วยตัวอย่างโค้ดที่เขียนในภาษา Fortran เราสามารถเข้าใจและประยุกต์ใช้งาน Quick Sort ได้ง่ายยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้อัลกอริธึมที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับประเภทของข้อมูลและข้อกำหนดของระบบ

หากท่านต้องการศึกษาลึกซึ้งเกี่ยวกับการเขียนโปรแกรมและอัลกอริธึมต่าง ๆ สนใจมาศึกษากับเราได้ที่ EPT (Expert-Programming-Tutor) ที่ซึ่งจะช่วยให้ท่านกลายเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการเขียนโปรแกรมและพัฒนาทักษะที่จำเป็นแน่นอน!

 

 

หมายเหตุ: ข้อมูลในบทความนี้อาจจะผิด โปรดตรวจสอบความถูกต้องของบทความอีกครั้งหนึ่ง บทความนี้ไม่สามารถนำไปใช้อ้างอิงใด ๆ ได้ ทาง EPT ไม่ขอยืนยันความถูกต้อง และไม่ขอรับผิดชอบต่อความเสียหายใดที่เกิดจากบทความชุดนี้ทั้งทางทรัพย์สิน ร่างกาย หรือจิตใจของผู้อ่านและผู้เกี่ยวข้อง