스위프트 코딩테스트 강좌, 퀵 정렬

서론

알고리즘과 데이터 구조는 소프트웨어 공학의 핵심 섹션 중 하나이며, 취업용 코딩 테스트에서 중요한 역할을 합니다.
특히, 정렬 알고리즘은 인터뷰에서 자주 출제되는 주제입니다. 오늘 우리는 스위프트로 구현할 수 있는 퀵 정렬에 대해 살펴보겠습니다.

퀵 정렬이란?

퀵 정렬(Quick Sort)은 분할 정복 알고리즘을 기반으로 하는 효율적인 정렬 알고리즘입니다.
평균적으로 O(n log n)의 시간 복잡도를 가지며, 최악의 경우 O(n^2)의 시간 복잡도를 가집니다.
그러나, 실제로는 정렬된 배열에 대해 매우 빠른 성능을 보입니다. 퀵 정렬은 재귀적이며 다음과 같은 주요 단계로 구성됩니다.

기준점(pivot)을 선택합니다. 보통 마지막 요소를 선택합니다.
기준점보다 작은 요소는 왼쪽으로, 큰 요소는 오른쪽으로 이동시킵니다.
기준점의 위치를 반환하고, 왼쪽 및 오른쪽 부분 리스트에 대해 재귀적으로 퀵 정렬을 호출합니다.

퀵 정렬의 시간 복잡도

퀵 정렬은 평균적으로 O(n log n) 시간을 소요하지만, 최악의 경우 O(n^2) 시간 복잡도를 가집니다.
이는 기준점 선택 방법이 좋지 않을 때 발생합니다. 예를 들어, 이미 정렬된 배열에 대해 첫 번째 요소를 기준점으로 선택하는 경우입니다.
이를 방지하기 위해 다양한 기준점 선택 전략을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 중간값, 랜덤 선택, 또는 “median-of-three” 방법을 사용할 수 있습니다.

스위프트로 퀵 정렬 구현하기

이제 스위프트로 퀵 정렬 알고리즘을 구현해보겠습니다. 아래는 퀵 정렬을 구현한 스위프트 코드입니다.

            
                func quickSort(_ array: [T]) -> [T] {
                    // 배열이 비어있거나 요소가 하나면 그대로 반환
                    guard array.count > 1 else { return array }
                    
                    // 기준점으로 마지막 요소 선택
                    let pivot = array[array.count - 1]
                    
                    // 기준점보다 작은, 같은, 큰 배열 생성
                    var left: [T] = []
                    var right: [T] = []
                    
                    for element in array.dropLast() {
                        if element < pivot {
                            left.append(element)
                        } else {
                            right.append(element)
                        }
                    }
                    
                    // 재귀적으로 왼쪽과 오른쪽 리스트에 퀵 정렬 적용
                    return quickSort(left) + [pivot] + quickSort(right)
                }

퀵 정렬 코드 설명

위의 코드는 스위프트로 구현된 퀵 정렬의 기본적인 구조를 보여줍니다.
단계별로 설명하겠습니다.

제네릭 타입: <T: Comparable>을 사용하여 비교 가능한 모든 타입에 대해 퀵 정렬을 수행할 수 있도록 합니다.
기본 케이스: 재귀적 알고리즘에서는 기본 케이스가 중요합니다. 배열의 길이가 1 이하인 경우, 더 이상 정렬할 필요가 없으므로 원래 배열을 그대로 반환합니다.
기준점 선택: 마지막 요소를 기준점(pivot)으로 선택합니다. 이는 구현의 간결성을 제공하지만, 최악의 경우를 피하기 위해 다른 선택 방법을 고려할 수 있습니다.
분할: 각 요소를 기준점과 비교하여 두 개의 배열(left, right)로 나누어야 합니다. dropLast()를 사용하여 기준점을 제외한 나머지 요소를 확인합니다.
재귀 호출: 두 개의 부분 리스트에 대해 각각 다시 quickSort() 함수를 호출합니다. 최종적으로 정렬된 배열을 생성합니다.

퀵 정렬의 예시

아래 예를 통해 퀵 정렬의 동작을 시각적으로 이해해보겠습니다.
배열 [3, 6, 8, 10, 1, 2, 1]을 정렬하는 과정을 살펴보겠습니다.

1. 배열: [3, 6, 8, 10, 1, 2, 1], pivot: 1
left: [], right: [3, 6, 8, 10]
2. 배열: [3, 6, 8, 10], pivot: 10
left: [3, 6, 8], right: []
3. 배열: [3, 6, 8], pivot: 8
left: [3, 6], right: []
4. 배열: [3, 6], pivot: 6
left: [3], right: []

최종적으로 정렬된 배열은 [1, 1, 2, 3, 6, 8, 10]가 됩니다.

퀵 정렬의 장단점

퀵 정렬은 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

분할 정복 방식으로 평균적으로 빠른 성능을 제공합니다.
기본 메모리 사용량이 적습니다; 추가적인 배열을 사용하는 것이 아니라 주어진 배열에서 직접 작업할 수 있습니다.
재귀적 방식으로 작성할 수 있어 구현이 간편합니다.

반면, 단점도 존재합니다.

최악의 경우 O(n^2)의 시간 복잡도를 가질 수 있으며, 이 경우 곧바로 다른 알고리즘으로 대체할 수 있습니다.
이미 정렬된 배열에 대해 비효율적일 수 있으며, 이를 피하기 위해 다양한 기준점 선택 방법이 필요합니다.

퀵 정렬의 변형

다양한 상황에 따라 퀵 정렬의 변형을 사용할 수 있습니다.
예를 들어, 기준점 선택 방법을 변경하거나, 특정 조건을 만족하면 다른 정렬 알고리즘(예: 삽입 정렬)을 호출할 수도 있습니다.

또한, 고정된 크기의 배열에서 정렬하는 대신 동적 배열을 사용하거나, 특정 조건이 만족되면 정렬을 중지하는 방식으로 성능을 최적화할 수 있습니다.

결론

퀵 정렬은 그 효율성과 간결성 덕분에 많은 개발자들이 선호하는 정렬 알고리즘입니다.
스위프트로 구현하는 방법을 통해 기본 개념과 작동 방식을 이해할 수 있었기를 바랍니다.
알고리즘과 데이터 구조를 효과적으로 배우고 익힐 수 있는 방안으로 퀵 정렬을 연습해 보시기 바랍니다.
여기까지 퀵 정렬에 대한 내용이었습니다. 다음 강좌에서는 다른 알고리즘을 다루어보겠습니다!

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