C++一道深坑面试题：STL里sort算法用的是什么排序算法？

前言

当你第一眼看到这道面试题是不是心里在暗喜，一问算法题就比问排序算法，一问排序算法就问快速排序。
如果你回答：

STL里的sort算法肯定用的是快速排序啊？难不成还是冒泡排序么？

如果你只是回答快速排序，那么恭喜你只答对了33.333%，离正确答案还差一大截。

回答完，接着会引来一堆问题轰炸：

数据量大和数据量小都适合用快速排序吗？
快速排序的时间复杂度不是稳定的nlogn，最坏情况会变成n^2，怎么解决复杂度恶化问题？
快速排序递归实现时，怎么解决递归层次过深的问题？
递归过深会引发什么问题？
怎么控制递归深度？如果达到递归深度了还没排完序怎么办？

首先，回答用到哪种排序算法，正确答案是：

毫无疑问是用到了快速排序，但不仅仅只用了快速排序，还结合了插入排序和堆排序。

是不是很惊喜，很意外？

为什么？直接看STL源码实现，来源于侯捷老师翻译的鼎鼎大名的《STL源码剖析》关于sort算法实现的细节，实现细节有很多精彩的地方。

并非所有容器都使用sort算法

既然问的是STL的sort算法实现，那么先确认一个问题，哪些STL容器需要用到sort算法？
首先，关系型容器拥有自动排序功能，因为底层采用RB-Tree，所以不需要用到sort算法。
其次，序列式容器中的stack、queue和priority-queue都有特定的出入口，不允许用户对元素排序。
剩下的vector、deque，适用sort算法。

实现逻辑

STL的sort算法，数据量大时采用QuickSort快排算法，分段归并排序。一旦分段后的数据量小于某个门槛（16），为避免QuickSort快排的递归调用带来过大的额外负荷，就改用Insertion Sort插入排序。如果递归层次过深，还会改用HeapSort堆排序。

结合快速排序-插入排序-堆排序三种排序算法。

具体代码

源文件：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/libstdc++-html-USERS-4.4/a01347.html

template<typename _RandomAccessIterator>
    inline void
    sort(_RandomAccessIterator __first, _RandomAccessIterator __last)
    {
      typedef typename iterator_traits<_RandomAccessIterator>::value_type
        _ValueType;

      // concept requirements
      __glibcxx_function_requires(_Mutable_RandomAccessIteratorConcept<
            _RandomAccessIterator>)
      __glibcxx_function_requires(_LessThanComparableConcept<_ValueType>)
      __glibcxx_requires_valid_range(__first, __last);

      if (__first != __last)
        {
        //快速排序+插入排序
          std::__introsort_loop(__first, __last,
                                std::__lg(__last - __first) * 2);
        //插入排序
          std::__final_insertion_sort(__first, __last);
        }
    }

其中__lg函数是计算递归深度，用来控制分割恶化，当递归深度达到该值改用堆排序，因为堆排序是时间复杂度恒定为nlogn：

template<typename _Size>
    inline _Size
    __lg(_Size __n)
    {
      _Size __k;
      for (__k = 0; __n != 1; __n >>= 1)
        ++__k;
      return __k;
    }

先来看，__introsort_loop 快排实现部分：对于区间小于16的采用快速排序，如果递归深度恶化改用堆排序。

template<typename _RandomAccessIterator, typename _Size>
    void
    __introsort_loop(_RandomAccessIterator __first,
                     _RandomAccessIterator __last,
                     _Size __depth_limit)
    {
      typedef typename iterator_traits<_RandomAccessIterator>::value_type
        _ValueType;
    //_S_threshold=16，每个区间必须大于16才递归
      while (__last - __first > int(_S_threshold))
        {
        //达到指定递归深度，改用堆排序
          if (__depth_limit == 0)
            {
              std::partial_sort(__first, __last, __last);
              return;
            }
          --__depth_limit;
          _RandomAccessIterator __cut =
            std::__unguarded_partition(__first, __last,
                                       _ValueType(std::__median(*__first,
                                                                *(__first
                                                                  + (__last
                                                                     - __first)
                                                                  / 2),
                                                                *(__last
                                                                  - 1))));
          std::__introsort_loop(__cut, __last, __depth_limit);
          __last = __cut;
        }
    }

再来看插入排序部分：

template<typename _RandomAccessIterator>
    void
    __final_insertion_sort(_RandomAccessIterator __first,
                           _RandomAccessIterator __last)
    {
      if (__last - __first > int(_S_threshold))
        {
        //先排前16个
          std::__insertion_sort(__first, __first + int(_S_threshold));
        //后面元素遍历插入到前面有序的正确位置 
         std::__unguarded_insertion_sort(__first + int(_S_threshold), __last);
        }
      else
        std::__insertion_sort(__first, __last);
    }

为什么用插入排序？因为插入排序在面对“几近排序”的序列时，表现更好。

结束语

最好的理解方式还是看书再结合源码。