睡眠排序（Sleep Sort）

题目描述

给定一个非负整数数组，要求使用“睡眠排序”算法对数组进行升序排序。该算法的核心思想是为每个数字创建一个独立的线程（或计时任务），让每个线程睡眠与数字值成正比的时间，然后在线程醒来时将数字输出。最终输出的顺序即为排序结果。

解题思路

1. 基本思想

   • 每个数字启动一个异步任务（如线程或定时器），任务中设置睡眠时间为数字的值（需乘以一个缩放系数，避免过大或过小的值影响实际效果）。
   • 睡眠结束后，立即将该数字添加到结果列表中。由于较小的数字睡眠时间更短，会先被添加到结果中，从而实现排序。

2. 关键问题与注意事项

   • 非负整数限制：睡眠时间不能为负数，因此算法仅适用于非负整数。
   • 并发控制：多个线程可能同时修改结果列表，需通过锁或线程安全数据结构保证顺序正确。
   • 时间缩放：若数字过大，睡眠时间可能过长；若数字过小（如0），需设置最小睡眠单位避免立即执行导致乱序。

循序渐进实现步骤

步骤 1：确定睡眠时间单位

为避免数字值直接作为睡眠时间（单位：毫秒）可能带来的问题（如0值或过大值），可设定一个基础时间单位（例如 10 毫秒），睡眠时间 = 数字值 × 单位时间。

步骤 2：实现单数字的睡眠任务

对于每个数字 num，创建一个任务（如线程），任务逻辑为：

1. 睡眠 num × 单位时间。
2. 获取锁（防止多线程同时写结果列表）。
3. 将 num 加入结果列表。
4. 释放锁。

步骤 3：管理所有任务

• 启动所有数字对应的任务，并等待所有任务执行完毕。
• 使用线程池或计数器确保主线程等待所有子线程完成后才输出结果。

步骤 4：处理边界情况

• 若数字为 0，设置最小睡眠时间（如 1 毫秒）避免立即执行。
• 若数字值过大，可调整时间单位或使用对数缩放减少实际等待时间。

代码示例（Python 模拟实现）

import threading
import time

def sleep_sort(arr):
    result = []
    lock = threading.Lock()
    
    def worker(num):
        time.sleep(num * 0.001)  # 缩放系数：1毫秒为基础单位
        with lock:
            result.append(num)
    
    threads = []
    for num in arr:
        thread = threading.Thread(target=worker, args=(num,))
        thread.start()
        threads.append(thread)
    
    for thread in threads:
        thread.join()  # 等待所有线程结束
    
    return result

# 测试示例
arr = [3, 1, 4, 2, 0]
print("原数组:", arr)
print("排序结果:", sleep_sort(arr))

算法特点与局限性

• 时间复杂度：取决于最大数字值，严格来说不是传统意义上的时间复杂度。
• 空间复杂度：O(n) 用于存储线程和结果。
• 局限性：
  • 仅适用于非负整数。
  • 实际效率受系统线程调度影响，不适合大规模或精度要求高的场景。
  • 多线程编程需注意资源竞争和异常处理。

此算法更多用于展示并发编程的趣味性，而非实际生产环境中的排序方案。