算法------冒泡排序
冒泡排序(Bubble Sort)是一种交换排序 算法,其核心思想是:通过多次相邻元素之间的比较 和交换,将数组中的最大(或最小)元素逐步移动到数组的最后(或最前面)。因为最大(或最小)的元素像气泡一样逐渐"冒泡"到数组的边缘,因此得名冒泡排序。
冒泡排序的基本步骤
假设要对一个包含 n个元素的数组进行从小到大的排序:
- 从第一个元素开始,比较相邻的两个元素。如果前一个元素比后一个元素大,则交换这两个元素的位置,使得较大的元素后移。
- 依次比较相邻的每对元素,不断将较大的元素移动到靠后的位置。
- 每完成一次完整的遍历,最大元素会"冒泡"到数组的最后一位(无需再次比较)。
- 重复以上过程,对剩下的元素继续比较和交换。每进行一次遍历,待排序的元素数量减少1,直到所有元素排序完成。
冒泡排序的性质
- 稳定性 :冒泡排序是一种稳定的排序算法。稳定性指的是:对于相同的元素,在排序后它们的相对顺序保持不变。因为在冒泡排序中,只有当两个相邻的元素不满足排序要求时,才会进行交换。
- 时间复杂度 :
- 最优时间复杂度:O(n),当输入数据已经是有序时,只需要进行一次遍历,并且没有发生交换。
- 最坏时间复杂度:O(n2),当输入数据是逆序时,每一次比较都需要交换。
- 平均时间复杂度:O(n2),无论输入数据的初始顺序如何。
- 空间复杂度:O(1),因为冒泡排序只需要常数级别的额外空间来交换元素。
冒泡排序的算法演示
以排序数组 [5, 1, 4, 2, 8]
为例,进行冒泡排序的过程如下:
- 初始数组 :
[5, 1, 4, 2, 8]
- 第一趟排序:
- 比较
5
和1
,因为5 > 1
,交换它们 →[1, 5, 4, 2, 8]
- 比较
5
和4
,因为5 > 4
,交换它们 →[1, 4, 5, 2, 8]
- 比较
5
和2
,因为5 > 2
,交换它们 →[1, 4, 2, 5, 8]
- 比较
5
和8
,因为5 < 8
,不交换 →[1, 4, 2, 5, 8]
- 第一趟结束,最大值
8
已经在正确位置。
- 比较
- 第二趟排序:
- 比较
1
和4
,因为1 < 4
,不交换 →[1, 4, 2, 5, 8]
- 比较
4
和2
,因为4 > 2
,交换它们 →[1, 2, 4, 5, 8]
- 比较
4
和5
,因为4 < 5
,不交换 →[1, 2, 4, 5, 8]
- 第二趟结束,次大值
5
已经在正确位置。
- 比较
- 第三趟排序:
- 比较
1
和2
,因为1 < 2
,不交换 →[1, 2, 4, 5, 8]
- 比较
2
和4
,因为2 < 4
,不交换 →[1, 2, 4, 5, 8]
- 第三趟结束,次次大值
4
已经在正确位置。
- 比较
- 第四趟排序:
- 比较
1
和2
,因为1 < 2
,不交换 →[1, 2, 4, 5, 8]
- 第四趟结束,数组已经完全有序。
- 比较
冒泡排序的优化
在某些情况下,数组可能在提前几轮就已经完全有序,因此没有必要继续执行剩下的比较过程。可以通过一个布尔变量 swapped
来记录在每轮遍历中是否有交换发生。如果在某一轮中没有发生交换,表示数组已经有序,可以提前结束排序。
java
public class OptimizedBubbleSort {
public static void bubbleSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
boolean swapped;
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
swapped = false;
for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++) {
if (arr[j] > arr[j + 1]) {
// 交换相邻元素
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
swapped = true;
}
}
// 如果没有发生交换,提前结束
if (!swapped) {
break;
}
}
}
}
完整流程总结
- 冒泡排序每次遍历会将最大(或最小)元素冒泡到正确位置。
- 对每一趟遍历,剩余未排序的部分继续进行比较和交换。
- 可以通过优化,避免无效的排序操作,减少时间复杂度。
尽管冒泡排序的思想非常直观,适合教学和小规模数据排序,但由于其时间复杂度较高,在实际应用中通常不适用于大规模数据的排序。