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Co-authored-by: krahets <krahets@163.com>

ja/codes/java/chapter_sorting/bubble_sort.java

@@ -0,0 +1,57 @@
+/**
+ * File: bubble_sort.java
+ * Created Time: 2022-11-25
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class bubble_sort {
+    /* バブルソート */
+    static void bubbleSort(int[] nums) {
+        // 外側ループ: 未ソート範囲は [0, i]
+        for (int i = nums.length - 1; i > 0; i--) {
+            // 内側ループ: 未ソート範囲 [0, i] の最大要素を範囲の右端に交換
+            for (int j = 0; j < i; j++) {
+                if (nums[j] > nums[j + 1]) {
+                    // nums[j] と nums[j + 1] を交換
+                    int tmp = nums[j];
+                    nums[j] = nums[j + 1];
+                    nums[j + 1] = tmp;
+                }
+            }
+        }
+    }
+
+    /* バブルソート（フラグによる最適化） */
+    static void bubbleSortWithFlag(int[] nums) {
+        // 外側ループ: 未ソート範囲は [0, i]
+        for (int i = nums.length - 1; i > 0; i--) {
+            boolean flag = false; // フラグを初期化
+            // 内側ループ: 未ソート範囲 [0, i] の最大要素を範囲の右端に交換
+            for (int j = 0; j < i; j++) {
+                if (nums[j] > nums[j + 1]) {
+                    // nums[j] と nums[j + 1] を交換
+                    int tmp = nums[j];
+                    nums[j] = nums[j + 1];
+                    nums[j + 1] = tmp;
+                    flag = true; // 交換された要素を記録
+                }
+            }
+            if (!flag)
+                break; // この「バブリング」ラウンドで要素が交換されなかった場合、終了
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 4, 1, 3, 1, 5, 2 };
+        bubbleSort(nums);
+        System.out.println("バブルソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+
+        int[] nums1 = { 4, 1, 3, 1, 5, 2 };
+        bubbleSortWithFlag(nums1);
+        System.out.println("バブルソート後、nums1 = " + Arrays.toString(nums1));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/bucket_sort.java

@@ -0,0 +1,47 @@
+/**
+ * File: bucket_sort.java
+ * Created Time: 2023-03-17
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class bucket_sort {
+    /* バケットソート */
+    static void bucketSort(float[] nums) {
+        // k = n/2 個のバケットを初期化、各バケットに期待される要素数は 2 個
+        int k = nums.length / 2;
+        List<List<Float>> buckets = new ArrayList<>();
+        for (int i = 0; i < k; i++) {
+            buckets.add(new ArrayList<>());
+        }
+        // 1. 配列要素を各バケットに分散
+        for (float num : nums) {
+            // 入力データ範囲は [0, 1)、num * k を使ってインデックス範囲 [0, k-1] にマッピング
+            int i = (int) (num * k);
+            // num をバケット i に追加
+            buckets.get(i).add(num);
+        }
+        // 2. 各バケットをソート
+        for (List<Float> bucket : buckets) {
+            // 組み込みソート関数を使用、他のソートアルゴリズムに置き換えることも可能
+            Collections.sort(bucket);
+        }
+        // 3. バケットを走査して結果をマージ
+        int i = 0;
+        for (List<Float> bucket : buckets) {
+            for (float num : bucket) {
+                nums[i++] = num;
+            }
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        // 入力データが浮動小数点、範囲 [0, 1) と仮定
+        float[] nums = { 0.49f, 0.96f, 0.82f, 0.09f, 0.57f, 0.43f, 0.91f, 0.75f, 0.15f, 0.37f };
+        bucketSort(nums);
+        System.out.println("バケットソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/counting_sort.java

@@ -0,0 +1,78 @@
+/**
+ * File: counting_sort.java
+ * Created Time: 2023-03-17
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class counting_sort {
+    /* 計数ソート */
+    // 簡単な実装、オブジェクトのソートには使用できない
+    static void countingSortNaive(int[] nums) {
+        // 1. 配列の最大要素 m を統計
+        int m = 0;
+        for (int num : nums) {
+            m = Math.max(m, num);
+        }
+        // 2. 各数字の出現回数を統計
+        // counter[num] は num の出現回数を表す
+        int[] counter = new int[m + 1];
+        for (int num : nums) {
+            counter[num]++;
+        }
+        // 3. counter を走査し、各要素を元の配列 nums に戻す
+        int i = 0;
+        for (int num = 0; num < m + 1; num++) {
+            for (int j = 0; j < counter[num]; j++, i++) {
+                nums[i] = num;
+            }
+        }
+    }
+
+    /* 計数ソート */
+    // 完全な実装、オブジェクトをソートでき、安定ソート
+    static void countingSort(int[] nums) {
+        // 1. 配列の最大要素 m を統計
+        int m = 0;
+        for (int num : nums) {
+            m = Math.max(m, num);
+        }
+        // 2. 各数字の出現回数を統計
+        // counter[num] は num の出現回数を表す
+        int[] counter = new int[m + 1];
+        for (int num : nums) {
+            counter[num]++;
+        }
+        // 3. counter の累積和を計算し、「出現回数」を「尻尾インデックス」に変換
+        // counter[num]-1 は res 内で num が出現する最後のインデックス
+        for (int i = 0; i < m; i++) {
+            counter[i + 1] += counter[i];
+        }
+        // 4. nums を逆順に走査し、各要素を結果配列 res に配置
+        // 結果を記録する配列 res を初期化
+        int n = nums.length;
+        int[] res = new int[n];
+        for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
+            int num = nums[i];
+            res[counter[num] - 1] = num; // num を対応するインデックスに配置
+            counter[num]--; // 累積和を 1 減算し、num を配置する次のインデックスを取得
+        }
+        // 結果配列 res を使って元の配列 nums を上書き
+        for (int i = 0; i < n; i++) {
+            nums[i] = res[i];
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 1, 0, 1, 2, 0, 4, 0, 2, 2, 4 };
+        countingSortNaive(nums);
+        System.out.println("計数ソート後（オブジェクトソート不可）、nums = " + Arrays.toString(nums));
+
+        int[] nums1 = { 1, 0, 1, 2, 0, 4, 0, 2, 2, 4 };
+        countingSort(nums1);
+        System.out.println("計数ソート後、nums1 = " + Arrays.toString(nums1));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/heap_sort.java

@@ -0,0 +1,57 @@
+/**
+ * File: heap_sort.java
+ * Created Time: 2023-05-26
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.Arrays;
+
+public class heap_sort {
+    /* ヒープの長さは n、ノード i から上から下へヒープ化開始 */
+    public static void siftDown(int[] nums, int n, int i) {
+        while (true) {
+            // i, l, r の中で最大のノードを判定し、ma とする
+            int l = 2 * i + 1;
+            int r = 2 * i + 2;
+            int ma = i;
+            if (l < n && nums[l] > nums[ma])
+                ma = l;
+            if (r < n && nums[r] > nums[ma])
+                ma = r;
+            // ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外の場合、さらなるヒープ化は不要、ブレーク
+            if (ma == i)
+                break;
+            // 2つのノードを交換
+            int temp = nums[i];
+            nums[i] = nums[ma];
+            nums[ma] = temp;
+            // 下向きにヒープ化をループ
+            i = ma;
+        }
+    }
+
+    /* ヒープソート */
+    public static void heapSort(int[] nums) {
+        // ヒープ構築操作: 葉ノード以外のすべてのノードをヒープ化
+        for (int i = nums.length / 2 - 1; i >= 0; i--) {
+            siftDown(nums, nums.length, i);
+        }
+        // ヒープから最大要素を抽出し、n-1 回繰り返し
+        for (int i = nums.length - 1; i > 0; i--) {
+            // ルートノードと最も右の葉ノードを交換（最初の要素と最後の要素を交換）
+            int tmp = nums[0];
+            nums[0] = nums[i];
+            nums[i] = tmp;
+            // ルートノードから上から下へヒープ化開始
+            siftDown(nums, i, 0);
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 4, 1, 3, 1, 5, 2 };
+        heapSort(nums);
+        System.out.println("ヒープソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/insertion_sort.java

@@ -0,0 +1,31 @@
+/**
+ * File: insertion_sort.java
+ * Created Time: 2022-11-25
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class insertion_sort {
+    /* 挿入ソート */
+    static void insertionSort(int[] nums) {
+        // 外側ループ: ソート済み範囲は [0, i-1]
+        for (int i = 1; i < nums.length; i++) {
+            int base = nums[i], j = i - 1;
+            // 内側ループ: base をソート済み範囲 [0, i-1] の正しい位置に挿入
+            while (j >= 0 && nums[j] > base) {
+                nums[j + 1] = nums[j]; // nums[j] を右に1つ移動
+                j--;
+            }
+            nums[j + 1] = base;        // base を正しい位置に代入
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 4, 1, 3, 1, 5, 2 };
+        insertionSort(nums);
+        System.out.println("挿入ソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/merge_sort.java

@@ -0,0 +1,58 @@
+/**
+ * File: merge_sort.java
+ * Created Time: 2022-11-25
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class merge_sort {
+    /* 左部分配列と右部分配列をマージ */
+    static void merge(int[] nums, int left, int mid, int right) {
+        // 左部分配列区間は [left, mid]、右部分配列区間は [mid+1, right]
+        // 一時配列 tmp を作成してマージ結果を格納
+        int[] tmp = new int[right - left + 1];
+        // 左右部分配列の開始インデックスを初期化
+        int i = left, j = mid + 1, k = 0;
+        // 両部分配列にまだ要素がある間、比較してより小さい要素を一時配列にコピー
+        while (i <= mid && j <= right) {
+            if (nums[i] <= nums[j])
+                tmp[k++] = nums[i++];
+            else
+                tmp[k++] = nums[j++];
+        }
+        // 左右部分配列の残りの要素を一時配列にコピー
+        while (i <= mid) {
+            tmp[k++] = nums[i++];
+        }
+        while (j <= right) {
+            tmp[k++] = nums[j++];
+        }
+        // 一時配列 tmp の要素を元の配列 nums の対応する区間にコピーバック
+        for (k = 0; k < tmp.length; k++) {
+            nums[left + k] = tmp[k];
+        }
+    }
+
+    /* マージソート */
+    static void mergeSort(int[] nums, int left, int right) {
+        // 終了条件
+        if (left >= right)
+            return; // 部分配列の長さが 1 のとき再帰を終了
+        // 分割段階
+        int mid = left + (right - left) / 2; // 中点を計算
+        mergeSort(nums, left, mid); // 左部分配列を再帰的に処理
+        mergeSort(nums, mid + 1, right); // 右部分配列を再帰的に処理
+        // マージ段階
+        merge(nums, left, mid, right);
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        /* マージソート */
+        int[] nums = { 7, 3, 2, 6, 0, 1, 5, 4 };
+        mergeSort(nums, 0, nums.length - 1);
+        System.out.println("マージソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/quick_sort.java

@@ -0,0 +1,158 @@
+/**
+ * File: quick_sort.java
+ * Created Time: 2022-11-25
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+/* クイックソートクラス */
+class QuickSort {
+    /* 要素を交換 */
+    static void swap(int[] nums, int i, int j) {
+        int tmp = nums[i];
+        nums[i] = nums[j];
+        nums[j] = tmp;
+    }
+
+    /* 分割 */
+    static int partition(int[] nums, int left, int right) {
+        // nums[left] を基準値として使用
+        int i = left, j = right;
+        while (i < j) {
+            while (i < j && nums[j] >= nums[left])
+                j--;          // 右から左へ、基準値より小さい最初の要素を検索
+            while (i < j && nums[i] <= nums[left])
+                i++;          // 左から右へ、基準値より大きい最初の要素を検索
+            swap(nums, i, j); // これら2つの要素を交換
+        }
+        swap(nums, i, left);  // 基準値を2つの部分配列の境界に交換
+        return i;             // 基準値のインデックスを返す
+    }
+
+    /* クイックソート */
+    public static void quickSort(int[] nums, int left, int right) {
+        // 部分配列の長さが 1 のとき再帰を終了
+        if (left >= right)
+            return;
+        // 分割
+        int pivot = partition(nums, left, right);
+        // 左部分配列と右部分配列を再帰的に処理
+        quickSort(nums, left, pivot - 1);
+        quickSort(nums, pivot + 1, right);
+    }
+}
+
+/* クイックソートクラス（中央値基準最適化） */
+class QuickSortMedian {
+    /* 要素を交換 */
+    static void swap(int[] nums, int i, int j) {
+        int tmp = nums[i];
+        nums[i] = nums[j];
+        nums[j] = tmp;
+    }
+
+    /* 3つの候補要素の中央値を選択 */
+    static int medianThree(int[] nums, int left, int mid, int right) {
+        int l = nums[left], m = nums[mid], r = nums[right];
+        if ((l <= m && m <= r) || (r <= m && m <= l))
+            return mid; // m は l と r の間
+        if ((m <= l && l <= r) || (r <= l && l <= m))
+            return left; // l は m と r の間
+        return right;
+    }
+
+    /* 分割（3つの中央値） */
+    static int partition(int[] nums, int left, int right) {
+        // 3つの候補要素の中央値を選択
+        int med = medianThree(nums, left, (left + right) / 2, right);
+        // 中央値を配列の最左端の位置に交換
+        swap(nums, left, med);
+        // nums[left] を基準値として使用
+        int i = left, j = right;
+        while (i < j) {
+            while (i < j && nums[j] >= nums[left])
+                j--;          // 右から左へ、基準値より小さい最初の要素を検索
+            while (i < j && nums[i] <= nums[left])
+                i++;          // 左から右へ、基準値より大きい最初の要素を検索
+            swap(nums, i, j); // これら2つの要素を交換
+        }
+        swap(nums, i, left);  // 基準値を2つの部分配列の境界に交換
+        return i;             // 基準値のインデックスを返す
+    }
+
+    /* クイックソート */
+    public static void quickSort(int[] nums, int left, int right) {
+        // 部分配列の長さが 1 のとき再帰を終了
+        if (left >= right)
+            return;
+        // 分割
+        int pivot = partition(nums, left, right);
+        // 左部分配列と右部分配列を再帰的に処理
+        quickSort(nums, left, pivot - 1);
+        quickSort(nums, pivot + 1, right);
+    }
+}
+
+/* クイックソートクラス（末尾再帰最適化） */
+class QuickSortTailCall {
+    /* 要素を交換 */
+    static void swap(int[] nums, int i, int j) {
+        int tmp = nums[i];
+        nums[i] = nums[j];
+        nums[j] = tmp;
+    }
+
+    /* 分割 */
+    static int partition(int[] nums, int left, int right) {
+        // nums[left] を基準値として使用
+        int i = left, j = right;
+        while (i < j) {
+            while (i < j && nums[j] >= nums[left])
+                j--;          // 右から左へ、基準値より小さい最初の要素を検索
+            while (i < j && nums[i] <= nums[left])
+                i++;          // 左から右へ、基準値より大きい最初の要素を検索
+            swap(nums, i, j); // これら2つの要素を交換
+        }
+        swap(nums, i, left);  // 基準値を2つの部分配列の境界に交換
+        return i;             // 基準値のインデックスを返す
+    }
+
+    /* クイックソート（末尾再帰最適化） */
+    public static void quickSort(int[] nums, int left, int right) {
+        // 部分配列の長さが 1 のとき終了
+        while (left < right) {
+            // 分割操作
+            int pivot = partition(nums, left, right);
+            // 2つの部分配列のうち短い方にクイックソートを実行
+            if (pivot - left < right - pivot) {
+                quickSort(nums, left, pivot - 1); // 左部分配列を再帰的にソート
+                left = pivot + 1; // 残りの未ソート区間は [pivot + 1, right]
+            } else {
+                quickSort(nums, pivot + 1, right); // 右部分配列を再帰的にソート
+                right = pivot - 1; // 残りの未ソート区間は [left, pivot - 1]
+            }
+        }
+    }
+}
+
+public class quick_sort {
+    public static void main(String[] args) {
+        /* クイックソート */
+        int[] nums = { 2, 4, 1, 0, 3, 5 };
+        QuickSort.quickSort(nums, 0, nums.length - 1);
+        System.out.println("クイックソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+
+        /* クイックソート（中央値基準最適化） */
+        int[] nums1 = { 2, 4, 1, 0, 3, 5 };
+        QuickSortMedian.quickSort(nums1, 0, nums1.length - 1);
+        System.out.println("中央値基準最適化クイックソート後、nums1 = " + Arrays.toString(nums1));
+
+        /* クイックソート（末尾再帰最適化） */
+        int[] nums2 = { 2, 4, 1, 0, 3, 5 };
+        QuickSortTailCall.quickSort(nums2, 0, nums2.length - 1);
+        System.out.println("末尾再帰最適化クイックソート後、nums2 = " + Arrays.toString(nums2));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/radix_sort.java

@@ -0,0 +1,69 @@
+/**
+ * File: radix_sort.java
+ * Created Time: 2023-01-17
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.*;
+
+public class radix_sort {
+    /* 要素 num の k 番目の桁を取得、exp = 10^(k-1) */
+    static int digit(int num, int exp) {
+        // k の代わりに exp を渡すことで、ここでコストの高い累乗計算の繰り返しを避けることができる
+        return (num / exp) % 10;
+    }
+
+    /* 計数ソート（nums の k 番目の桁に基づく） */
+    static void countingSortDigit(int[] nums, int exp) {
+        // 10進数の桁の範囲は 0~9、したがって長さ 10 のバケット配列が必要
+        int[] counter = new int[10];
+        int n = nums.length;
+        // 桁 0~9 の出現回数を統計
+        for (int i = 0; i < n; i++) {
+            int d = digit(nums[i], exp); // nums[i] の k 番目の桁を取得、d とする
+            counter[d]++;                // 桁 d の出現回数を統計
+        }
+        // 累積和を計算し、「出現回数」を「配列インデックス」に変換
+        for (int i = 1; i < 10; i++) {
+            counter[i] += counter[i - 1];
+        }
+        // 逆順に走査し、バケット統計に基づいて各要素を res に配置
+        int[] res = new int[n];
+        for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
+            int d = digit(nums[i], exp);
+            int j = counter[d] - 1; // 配列内での d のインデックス j を取得
+            res[j] = nums[i];       // 現在の要素をインデックス j に配置
+            counter[d]--;           // d のカウントを 1 減らす
+        }
+        // 結果で元の配列 nums を上書き
+        for (int i = 0; i < n; i++)
+            nums[i] = res[i];
+    }
+
+    /* 基数ソート */
+    static void radixSort(int[] nums) {
+        // 配列の最大要素を取得し、最大桁数を判定するために使用
+        int m = Integer.MIN_VALUE;
+        for (int num : nums)
+            if (num > m)
+                m = num;
+        // 最下位桁から最上位桁まで走査
+        for (int exp = 1; exp <= m; exp *= 10) {
+            // 配列要素の k 番目の桁に対して計数ソートを実行
+            // k = 1 -> exp = 1
+            // k = 2 -> exp = 10
+            // すなわち exp = 10^(k-1)
+            countingSortDigit(nums, exp);
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        // 基数ソート
+        int[] nums = { 10546151, 35663510, 42865989, 34862445, 81883077,
+                       88906420, 72429244, 30524779, 82060337, 63832996 };
+        radixSort(nums);
+        System.out.println("基数ソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_sorting/selection_sort.java

@@ -0,0 +1,35 @@
+/**
+ * File: selection_sort.java
+ * Created Time: 2023-05-23
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_sorting;
+
+import java.util.Arrays;
+
+public class selection_sort {
+    /* 選択ソート */
+    public static void selectionSort(int[] nums) {
+        int n = nums.length;
+        // 外側ループ: 未ソート範囲は [i, n-1]
+        for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
+            // 内側ループ: 未ソート範囲内で最小要素を見つける
+            int k = i;
+            for (int j = i + 1; j < n; j++) {
+                if (nums[j] < nums[k])
+                    k = j; // 最小要素のインデックスを記録
+            }
+            // 最小要素と未ソート範囲の最初の要素を交換
+            int temp = nums[i];
+            nums[i] = nums[k];
+            nums[k] = temp;
+        }
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 4, 1, 3, 1, 5, 2 };
+        selectionSort(nums);
+        System.out.println("選択ソート後、nums = " + Arrays.toString(nums));
+    }
+}