1. 排序的定义
排序(Sorting)是将一组数据按照一定的顺序排列的过程。排序的顺序可以是升序或降序。
2. 排序算法的分类
排序算法可以分为内部排序和外部排序:
- 内部排序:数据在内存中进行排序。
- 外部排序:数据量大于内存容量时,需要借助外部存储进行排序。
3. 常见排序算法
3.1 冒泡排序(Bubble Sort)
冒泡排序是一种简单的交换排序算法,通过重复地遍历要排序的列表,比较相邻元素并交换顺序,直到列表有序。
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void bubbleSort(int* arr, int n) {
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) {
if (arr[j] > arr[j + 1]) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
}
3.2 选择排序(Selection Sort)
选择排序是一种简单的选择排序算法,通过在未排序部分中找到最小(或最大)元素,并将其放到已排序部分的末尾,直到排序完成。
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void selectionSort(int* arr, int n) {
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
int minIndex = i;
for (int j = i + 1; j < n; j++) {
if (arr[j] < arr[minIndex]) {
minIndex = j;
}
}
int temp = arr[minIndex];
arr[minIndex] = arr[i];
arr[i] = temp;
}
}
3.3 插入排序(Insertion Sort)
插入排序是一种简单的插入排序算法,通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。
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void insertionSort(int* arr, int n) {
for (int i = 1; i < n; i++) {
int key = arr[i];
int j = i - 1;
while (j >= 0 && arr[j] > key) {
arr[j + 1] = arr[j];
j--;
}
arr[j + 1] = key;
}
}
3.4 快速排序(Quick Sort)
快速排序是一种高效的分治排序算法,通过选择一个基准元素,将数组分成两部分,一部分比基准元素小,另一部分比基准元素大,递归地对两部分进行排序。
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int partition(int* arr, int low, int high) {
int pivot = arr[high];
int i = low - 1;
for (int j = low; j <= high - 1; j++) {
if (arr[j] < pivot) {
i++;
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
int temp = arr[i + 1];
arr[i + 1] = arr[high];
arr[high] = temp;
return i + 1;
}
void quickSort(int* arr, int low, int high) {
if (low < high) {
int pi = partition(arr, low, high);
quickSort(arr, low, pi - 1);
quickSort(arr, pi + 1, high);
}
}
3.5 归并排序(Merge Sort)
归并排序是一种高效的分治排序算法,通过将数组分成两个子数组,对每个子数组进行排序,然后合并两个已排序的子数组。
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void merge(int* arr, int l, int m, int r) {
int n1 = m - l + 1;
int n2 = r - m;
int L[n1], R[n2];
for (int i = 0; i < n1; i++) {
L[i] = arr[l + i];
}
for (int i = 0; i < n2; i++) {
R[i] = arr[m + 1 + i];
}
int i = 0, j = 0, k = l;
while (i < n1 && j < n2) {
if (L[i] <= R[j]) {
arr[k] = L[i];
i++;
} else {
arr[k] = R[j];
j++;
}
k++;
}
while (i < n1) {
arr[k] = L[i];
i++;
k++;
}
while (j < n2) {
arr[k] = R[j];
j++;
k++;
}
}
void mergeSort(int* arr, int l, int r) {
if (l < r) {
int m = l + (r - l) / 2;
mergeSort(arr, l, m);
mergeSort(arr, m + 1, r);
merge(arr, l, m, r);
}
}
3.6 堆排序(Heap Sort)
堆排序是一种基于堆这种数据结构的排序算法,通过构建最大堆或最小堆,将堆顶元素与末尾元素交换,然后对剩余元素进行调整,直到排序完成。
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void heapify(int* arr, int n, int i) {
int largest = i;
int left = 2 * i + 1;
int right = 2 * i + 2;
if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
largest = left;
}
if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
largest = right;
}
if (largest != i) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[largest];
arr[largest] = temp;
heapify(arr, n, largest);
}
}
void heapSort(int* arr, int n) {
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
heapify(arr, n, i);
}
for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
int temp = arr[0];
arr[0] = arr[i];
arr[i] = temp;
heapify(arr, i, 0);
}
}
4. 排序算法的比较
排序算法 | 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 |
---|---|---|---|---|---|
冒泡排序 | O(n^2) | O(n^2) | O(n) | O(1) | 稳定 |
选择排序 | O(n^2) | O(n^2) | O(n^2) | O(1) | 不稳定 |
插入排序 | O(n^2) | O(n^2) | O(n) | O(1) | 稳定 |
快速排序 | O(n log n) | O(n^2) | 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 |
堆排序 | O(n log n) | O(n log n) | O(n log n) | O(1) | 不稳定 |