数据结构——排序算法(冒泡、快速、选择、插入)

文章目录

[1. 概念](#1. 概念)

[2. 十大排序算法](#2. 十大排序算法)

[3. 冒泡排序](#3. 冒泡排序)

[4. 冒泡代码实现](#4. 冒泡代码实现)

[5. 快速排序](#5. 快速排序)

[6. 快速代码实现](#6. 快速代码实现)

[7. 选择排序](#7. 选择排序)

[8. 选择代码实现](#8. 选择代码实现)

[9. 插入排序](#9. 插入排序)

[10. 插入代码实现](#10. 插入代码实现)

1. 概念

排序（Sort）是将无序的记录序列（或称文件）调整成有序的序列。排序算法在计算机科学中非常重要，因为它们可以提高数据检索效率、简化后续算法的复杂性和优化存储结构等。

稳定排序和非稳定排序

稳定排序 ：如果在排序前，两个相等的元素在原序列中的先后顺序在排序后依然保持不变，那么这种排序算法就是稳定的。插入排序，归并排序，冒泡排序。
非稳定排序 ：如果排序后，两个相等的元素的先后顺序可能改变，那么这种排序算法就是非稳定的。选择排序，快速排序，堆排序。

例如：

原序列：R1,R2,...,Ri,...,Rj,...,Rn
其中，Ki=Kj 且 i<j（即 Ri 在 Rj 之前）。

在稳定排序中，排序后 Ri 仍在 Rj 之前。而在非稳定排序中，Ri 和 Rj 的相对位置可能会改变。

内排序和外排序

内排序：如果待排序文件的所有记录都能放入内存中进行排序，那么这种排序称为内排序。内排序速度快，但受限于内存容量，适用于较小的数据集。插入排序、冒泡排序、选择排序、快速排序、归并排序等。
外排序：如果待排序文件的大小超过了内存容量，需要借助外存（如磁盘）进行排序，那么这种排序称为外排序。外排序速度较慢，但适用于大型数据集。通常通过将数据分块读取到内存中排序，然后再将排序后的块合并来实现。比如：归并排序。

排序算法是计算机科学中的基本算法，广泛应用于各种场景。稳定性和适用场景是选择排序算法时的重要考虑因素。内排序适用于小数据集，外排序则适用于大数据集。理解这些概念和性质有助于选择合适的排序算法，从而提高程序的效率和性能。

2. 十大排序算法

排序方法	时间复杂度（平均）	时间复杂度（最坏）	时间复杂度（最好）	空间复杂度	稳定性
插入排序	O(n²)	O(n²)	O(n)	O(1)	稳定
希尔排序	O(n log² n)	O(n²)	O(n)	O(1)	不稳定
选择排序	O(n²)	O(n²)	O(n²)	O(1)	不稳定
堆排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n log n)	O(1)	不稳定
冒泡排序	O(n²)	O(n²)	O(n)	O(1)	稳定
快速排序	O(n log n)	O(n²)	O(n log n)	O(log n)	不稳定
归并排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n log n)	O(n)	稳定
计数排序	O(n + k)	O(n + k)	O(n + k)	O(n + k)	稳定
桶排序	O(n + k)	O(n²)	O(n)	O(n)	稳定
基数排序	O(n * k)	O(n * k)	O(n * k)	O(n * k)	稳定

3. 冒泡排序

冒泡排序是一种简单的排序算法，它通过多次遍历要排序的序列，依次比较相邻元素的大小，并根据需要交换它们的位置，以此将序列中的最大或最小元素逐步移动到序列的一端。其思路如下：

比较相邻元素：
- 从数组的第一个元素开始，依次比较相邻的两个元素。
交换位置：
- 如果当前面的元素比后面的元素大（或小，根据升序或降序排序的要求），则交换这两个元素的位置。
一趟遍历完成：
- 最大（或最小）元素已移至末尾：经过一趟遍历，最大（或最小）的元素会被交换到数组的最后一个位置。
重复进行遍历和交换：
- 除了最后一个元素，对数组中的所有元素重复执行上述两步。

每次遍历都会将当前未排序部分的最大（或最小）元素放置到合适的位置。

**循环遍历：**重复执行步骤3和步骤4，直到整个数组都被排序。

示例：

以序列 [3, 1, 5, 4, 2] 为例，进行冒泡排序的过程如下：

第一趟比较：
- 比较 3 和 1，3 大于 1，交换位置，序列变为 [1, 3, 5, 4, 2]。
- 比较 3 和 5，3 小于 5，不交换位置，序列不变。
- 比较 5 和 4，5 大于 4，交换位置，序列变为 [1, 3, 4, 5, 2]。
- 比较 5 和 2，5 大于 2，交换位置，序列变为 [1, 3, 4, 2, 5]。
- 第一趟比较结束，最大元素 5 已经移到序列末尾。
第二趟比较：
- 比较 1 和 3，1 小于 3，不交换位置，序列不变。
- 比较 3 和 4，3 小于 4，不交换位置，序列不变。
- 比较 4 和 2，4 大于 2，交换位置，序列变为 [1, 3, 2, 4, 5]。
- 第二趟比较结束，次大元素 4 已经移到序列倒数第二位。
第三趟比较：
- 比较 1 和 3，1 小于 3，不交换位置，序列不变。
- 比较 3 和 2，3 大于 2，交换位置，序列变为 [1, 2, 3, 4, 5]。
- 第三趟比较结束，次小元素 3 已经移到正确位置。
第四趟比较：
- 比较 1 和 2，1 小于 2，不交换位置，序列不变。
- 第四趟比较结束，次次小元素 2 已经移到正确位置。

通过上述步骤，整个序列变为 [1, 2, 3, 4, 5]，排序完成。

优化：

在实际实现中，可以通过添加一个标志来检测在某一趟遍历中是否发生了交换。如果没有发生交换，则说明数组已经是有序的，可以提前终止排序过程，进一步提升算法效率。

这种算法适用于数据量较小的情况，虽然其时间复杂度为O(n²)，但其实现简单，且在某些情况下（如数据量较小或数据已基本有序）依然具有一定的实用性。

4. 冒泡代码实现

#include <stdio.h>

// 冒泡排序函数定义
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j;
    // 外层循环：控制比较轮数，每次减少一个元素的比较
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        // 内层循环：进行元素比较和交换
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            // 如果前一个元素大于后一个元素，则交换它们
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

// 打印数组的函数
void printArray(int arr[], int size) {
    int i;
    for (i = 0; i < size; i++)
        printf("%d ", arr[i]);
    printf("\n");
}

// 主函数
int main() {
    // 定义一个数组
    int arr[] = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("排序前的数组: \n");
    printArray(arr, n);

    // 调用冒泡排序函数
    bubbleSort(arr, n);

    printf("排序后的数组: \n");
    printArray(arr, n);

    return 0;
}

5. 快速排序

快速排序（Quick Sort）是一种高效的排序算法，由图灵奖获得者Tony Hoare发明，被列为20世纪十大算法之一。其主要特点是通过分治法（Divide and Conquer）来实现对数据的快速排序。下面详细解释快速排序的算法原理和执行过程。

基本思想

快速排序通过以下步骤进行排序：

选择基准（pivot）：从数列中挑选一个元素，称为"基准"。
分区（partition）：重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆放在基准后面。经过分区后，基准值的位置就是它在排序后数组中的最终位置。
递归排序：递归地对基准值左边的子数组和右边的子数组进行快速排序。

执行步骤

选择基准：
- 基准可以是数组中的任意一个元素，常见的选择方法有：选择第一个元素、最后一个元素、中间的元素，或者随机选择一个元素作为基准。
分区操作：
- 将数组中的元素重新排列，所有小于基准的元素放在基准的左边，所有大于基准的元素放在基准的右边。
- 分区过程中，基准值最终会被放到它的正确位置上，即使得基准左边的所有元素都小于基准，右边的所有元素都大于基准。
递归排序：
- 对基准左边和右边的子数组分别进行快速排序。
- 递归的基准情况是子数组的大小为零或一，此时数组已经被排序好了。

优点与缺点

优点：
- 平均时间复杂度为O(n log n)，在大多数情况下表现非常好。
- 空间复杂度为O(log n)，需要递归调用栈空间。
- 属于原地排序算法，空间利用率高。
- 排序速度非常快，尤其适用于大数据集。
缺点：
- 最坏情况下时间复杂度为O(n^2)，如数组已经有序或逆序时。
- 不稳定排序，可能打乱相同元素的相对顺序。

示例1：

个示例展示了如何使用快速排序算法对数组进行排序。假设有以下数组：

[49, 38, 65, 97, 76, 13, 27, 49]

第一步：选择基准并进行第一次分区

选择基准 49。
进行分区，将数组分为三部分：小于 49、等于 49 和大于 49 的部分。

[27, 38, 13], 49, [76, 97, 65, 49]

第二步：递归排序

对每一部分继续递归地进行快速排序：

对左侧 [27, 38, 13] 部分：
- 选择 27 作为基准。
- 分区为 [13] 27 [38]。
  
  [13] 27 [38]

对右侧 [76, 97, 65, 49] 部分：

选择 76 作为基准。
分区为 [65] 76 [97]。

[65] 76 [97]

组合结果

将所有部分组合起来，得到排序后的数组：

[13, 27, 38, 49, 49, 65, 76, 97]

示例2：

初始状态：

[9, -16, 30, 23, -30, -49, 25, 21, 30]

第一趟交换：
- 基准值：9
- 低位指针和高位指针开始交换：
  - 第一次交换后： [-16, 9, 30, 23, -30, -49, 25, 21, 30]
  - 第二次交换后： [-16, -49, 30, 23, -30, 9, 25, 21, 30]
  - 第三次交换后： [-16, -49, -30, 23, 9, 30, 25, 21, 30]
第二趟交换：
- 基准值：-30
- 低位指针和高位指针开始交换：
  - 第一次交换后： [-49, -30, -16, 23, 9, 30, 25, 21, 30]
  - 第二次交换后： [-49, -30, -16, 23, 9, 30, 25, 21, 30]
分割完成：
- 将数组分为左侧和右侧分别继续递归排序，最终达到有序。

6. 快速代码实现

#include <stdio.h>

// 快速排序入口函数
void quickSort(int arr[], int size) {
    subSort(arr, 0, size - 1);
}

// 辅助排序函数，递归实现
void subSort(int arr[], int start, int end) {
    if (start < end) {
        int base = arr[start];  // 选择基准值为第一个元素
        int low = start;        // 初始化低位索引
        int high = end + 1;     // 初始化高位索引

        while (1) {
            while (low < end && arr[++low] <= base);  // 从左向右扫描，找到第一个大于基准值的元素
            while (high > start && arr[--high] >= base);  // 从右向左扫描，找到第一个小于基准值的元素

            if (low < high) {
                int temp = arr[low];  // 交换找到的两个元素
                arr[low] = arr[high];
                arr[high] = temp;
            } else {
                break;  // 如果low和high相遇，则退出循环
            }
        }
        int temp1 = arr[start];  // 将基准值交换到正确的位置
        arr[start] = arr[high];
        arr[high] = temp1;
        
        subSort(arr, start, high - 1);  // 递归排序基准值左边的子数组
        subSort(arr, high + 1, end);    // 递归排序基准值右边的子数组
    }
}

// 打印数组函数
void printArray(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

// 主函数
int main() {
    int arr[] = {9, -16, 40, 23, -30, -49, 25, 21, 30};
    int length = sizeof(arr) / sizeof(int);

    // 排序前遍历数组
    printArray(arr, length);

    // 调用快速排序
    quickSort(arr, length);

    // 排序后遍历数组
    printArray(arr, length);

    return 0;
}

7. 选择排序

选择排序（Selection Sort）是一种简单直观的排序算法。它的基本思想是不断地从未排序的部分中选择最小（或最大）的元素，放到已排序部分的末尾，从而不断扩大已排序的部分，直到整个数组有序。选择排序的时间复杂度为O(n^2)，空间复杂度为O(1)，是一种不稳定的排序算法。

算法原理

初始状态：整个数组为未排序部分。
找到最小值：从未排序部分中找到最小（或最大）的元素。
交换位置：将找到的最小（或最大）元素与未排序部分的第一个元素交换位置。
已排序部分增加：将已排序部分扩大一个元素，未排序部分减小一个元素。
重复步骤2-4：对未排序部分重复上述步骤，直到未排序部分为空，排序完成。

优点

简单易懂：选择排序的算法原理非常直观，容易理解和实现，特别适合教学和初学者学习。
不需要额外空间：选择排序是就地排序（in-place sorting）算法，只需要常数级别的额外空间，空间复杂度为O(1)。
适合小规模数据：对于小规模数据集，选择排序的实现简单且运行时间可以接受。

缺点

时间复杂度高：选择排序的时间复杂度为O(n^2)，不适合大规模数据集，随着数据量的增加，性能会显著下降。
不稳定：选择排序是不稳定的排序算法，即相同元素的相对顺序在排序过程中可能会被改变。
数据交换多：在选择排序过程中，每次找到最小值后都会进行数据交换，如果数组元素较多且数据量较大，频繁的数据交换会影响性能。

过程示例：

初始数组：

[29, 10, 14, 37, 14]

第一轮：找到最小值10，交换29和10。

[10, 29, 14, 37, 14]

第二轮：找到最小值14，交换29和14。

[10, 14, 29, 37, 14]

第三轮：找到最小值14，交换29和14。

[10, 14, 14, 37, 29]

第四轮(最终结果)：找到最小值29，交换37和29。

[10, 14, 14, 29, 37]

选择排序通过不断选择未排序部分的最小值，将其移动到已排序部分的末尾，逐步完成整个排序过程。虽然选择排序的时间复杂度较高，但其实现简单，适用于数据量较小或对稳定性要求不高的场景。

8. 选择代码实现

#include <stdio.h>

// 选择排序函数
void selectionSort(int arr[], int size) {
    // 外层循环，逐步扩大已排序部分
    for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
        // 假设当前位置i为最小值索引
        int minIndex = i;
        // 内层循环，从i+1位置开始寻找未排序部分的最小值
        for (int j = i + 1; j < size; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                // 更新最小值索引
                minIndex = j;
            }
        }
        // 交换当前位置i和找到的最小值位置minIndex的元素
        if (minIndex != i) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[minIndex];
            arr[minIndex] = temp;
        }
    }
}

// 打印数组函数
void printArray(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

// 主函数
int main() {
    // 定义并初始化一个待排序的数组
    int arr[] = {29, 10, 14, 37, 14};
    int length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    // 排序前遍历数组并打印
    printf("排序前的数组: ");
    printArray(arr, length);

    // 调用选择排序函数对数组进行排序
    selectionSort(arr, length);

    // 排序后遍历数组并打印
    printf("排序后的数组: ");
    printArray(arr, length);

    return 0;
}

9. 插入排序

插入排序（Insertion Sort）是一种简单直观的排序算法。它的工作原理类似于我们整理扑克牌的过程，从左到右逐步扩大已排序的部分，将当前元素插入到已排序部分的适当位置，直到整个序列有序。

算法原理

初始状态：已排序部分只有第一个元素。
从第二个元素开始：逐一取出元素，将其插入到已排序部分的适当位置。
重复步骤2：直到所有元素均插入到已排序部分。

插入排序的优缺点

优点：

算法简单，易于理解和实现。
对于少量元素的数组或几乎已经排好序的数组，插入排序非常高效。
是稳定排序算法，保证相等元素的相对位置不变。

缺点：

对于大规模数组，插入排序的效率较低，时间复杂度为O(n^2)。

插入排序的步骤示例

初始状态：

[5, 2, 9, 1, 5, 6]

已排序部分：[5]
第二个元素2：
- 将2插入到已排序部分 [5] 之前。
  
  [2, 5, 9, 1, 5, 6]
已排序部分：[2, 5]
第三个元素9：
- 将9插入到已排序部分 [2, 5] 之后。
  
  [2, 5, 9, 1, 5, 6]
已排序部分：[2, 5, 9]
第四个元素1：
- 将1插入到已排序部分 [2, 5, 9] 之前。
  
  [1, 2, 5, 9, 5, 6]
已排序部分：[1, 2, 5, 9]
第五个元素5：
- 将5插入到已排序部分 [1, 2, 5, 9] 的适当位置。
  
  [1, 2, 5, 5, 9, 6]
已排序部分：[1, 2, 5, 5, 9]
第六个元素6：
- 将6插入到已排序部分 [1, 2, 5, 5, 9] 的适当位置。
  
  [1, 2, 5, 5, 6, 9]

10. 插入代码实现

#include <stdio.h>

// 插入排序函数
void insertionSort(int arr[], int size) {
    // 从数组的第二个元素开始，逐个插入到已排序部分
    for (int i = 1; i < size; i++) {
        int key = arr[i]; // 当前待插入的元素
        int j = i - 1;

        // 将已排序部分中大于key的元素向后移动
        while (j >= 0 && arr[j] > key) {
            arr[j + 1] = arr[j];
            j = j - 1;
        }
        arr[j + 1] = key; // 将key插入到正确的位置
    }
}

// 打印数组函数
void printArray(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

// 主函数
int main() {
    // 定义并初始化一个待排序的数组
    int arr[] = {5, 2, 9, 1, 5, 6};
    int length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    // 排序前遍历数组并打印
    printf("排序前的数组: ");
    printArray(arr, length);

    // 调用插入排序函数对数组进行排序
    insertionSort(arr, length);

    // 排序后遍历数组并打印
    printf("排序后的数组: ");
    printArray(arr, length);

    return 0;
}