数据结构9——排序

一、冒泡排序

冒泡排序(Bubble Sort),顾名思义,就是指越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

算法原理

  1. 从左到右,依次比较相邻的元素大小,更大的元素交换到右边;
  2. 从第一组相邻元素比较到最后一组相邻元素,这一步结束最后一个元素必然是参与比较的元素中最大的元素;
  3. 按照大的居右原则,重新从左到后比较,前一轮中得到的最后一个元素不参4与比较,得出新一轮的最大元素;
  4. 按照上述规则,每一轮结束会减少一个元素参与比较,直到没有任何一组元素需要比较。

代码实现

// 冒泡排序
void BubbleSort(int* arr, int n)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < n - 1; ++i) // 冒泡排序趟数
	{
		int j = 0;
		int flag = 1;
		for (j = 0; j < n - i - 1; ++j) // 待排序区间进行比较交换
		{
			if (arr[j] > arr[j + 1])
			{
				int tmp = arr[j];
				arr[j] = arr[j + 1];
				arr[j + 1] = tmp;
				flag = 0;
			}
		}
		if (flag == 1)
		{
			// 说明已经有序
			break;
		}
	}
}

 拓展:

 O(n^{2})

二、快速排序

快速排序(Quick Sort),是冒泡排序的改进版,之所以“快速”,是因为使用了分治法。它也属于交换排序,通过元素之间的位置交换来达到排序的目的。

算法原理

在序列中随机挑选一个元素作基准,将小于基准的元素放在基准之前,大于基准的元素放在基准之后,再分别对小数区与大数区进行排序。

一趟快速排序的具体做法是:

  1. 设两个指针 i 和 j,分别指向序列的头部和尾部;
  2. 先从 j 所指的位置向前搜索,找到第一个比基准小的值,把它与基准交换位置;
  3. 再从 i 所指的位置向后搜索,找到第一个比基准大的值,把它与基准交换位置;
  4. 重复 2、3 两步,直到 i = j。

仔细研究一下上述算法我们会发现,在排序过程中,对基准的移动其实是多余的,因为只有一趟排序结束时,也就是 i = j 的位置才是基准的最终位置。

由此可以优化一下算法

  1. 设两个指针 i 和 j,分别指向序列的头部和尾部;
  2. 先从 j 所指的位置向前搜索,找到第一个比基准小的数值后停下来,再从 i 所指的位置向后搜索,找到第一个比基准大的数值后停下来,把 i 和 j 指向的两个值交换位置;
  3. 重复步骤 2,直到 i = j,最后将相遇点指向的值与基准交换位置。

代码:

void QuickSort(int array[], int low, int high) {
    int i = low; 
    int j = high;
    if(i >= j) {
        return;
    }
 
    int temp = array[low];
    while(i != j) {
        while(array[j] >= temp && i < j) {
            j--;
        }
	while(array[i] <= temp && i < j) {
            i++;
        }
	if(i < j) {
            swap(array[i], array[j]);
        }
    }
 
    //将基准temp放于自己的位置,(第i个位置)
    swap(array[low], array[i]);
    QuickSort(array, low, i - 1);
    QuickSort(array, i + 1, high);
}

三、插入排序

直接插入排序(Straight Insertion Sort),是一种简单直观的排序算法,它的基本操作是不断地将尚未排好序的数插入到已经排好序的部分,好比打扑克牌时一张张抓牌的动作。在冒泡排序中,经过每一轮的排序处理后,序列后端的数是排好序的;而对于插入排序来说,经过每一轮的排序处理后,序列前端的数都是排好序的。

算法原理

先将第一个元素视为一个有序子序列,然后从第二个元素起逐个进行插入,直至整个序列变成元素非递减有序序列为止。如果待插入的元素与有序序列中的某个元素相等,则将待插入元素插入大相等元素的后面。整个排序过程进行 n-1 趟插入

代码:

//========================写法1=======================
void insert_sort(int *arr, int len){
	int i, j;
	for (i = 1; i < len; i++){
		int tmp = arr[i];//待插入数
		for (j = i; j > 0 && arr[j - 1] > tmp; j--){
			arr[j] = arr[j - 1];//大的数依次右移
		}
		arr[j] = tmp;
	}
}

//==========================写法2======================
void insert_sort_1(int *arr, int n)
{
	int i = 0, j = 0;

	for (i = 1; i < n; i++)
	{
		j = i;
		//一直拿当前数与前面数比,有<=它的就停止,没有接着交换位置并往前比
		while (j >= 1)
		{
			if (arr[j] < arr[j - 1])	
			{
				swap(arr, j, j - 1);
			}
			j--;
		}
	}
}

四、希尔排序

希尔排序(Shell’s Sort)是第一个突破 O(n²) 的排序算法,是直接插入排序的改进版,又称“缩小增量排序”(Diminishing Increment Sort)。它与直接插入排序不同之处在于,它会优先比较距离较远的元素。

算法原理

先将整个待排序列分割成若干个子序列分别进行直接插入排序,待整个序列中的记录“基本有序”时,再对全体记录进行一次直接插入排序。

子序列的构成不是简单地“逐段分割”,将相隔某个增量的记录组成一个子序列,让增量逐趟缩短,直到增量为 1 为止

 

代码实现

这里的代码是通过一次就把所有元素排序完成。

  • gap的取值保证最后为1就可以了
  • gap不等于1之前其实都是预排序,让数据趋近于有序。
// 希尔排序
void ShellSort(int* arr, int n)
{
	int gap = n;
	while (gap > 1)
	{
		gap = gap / 3 + 1;//保证最后gap为1就可以了
		int i = 0;
		for (i = 0; i < n - gap; ++i)//多组元素同时进行插入排序
		{
			int end = i;
			int tmp = arr[end+gap];
			while (end >= 0)
			{
				if (arr[end] > tmp)
				{
					arr[end+gap] = arr[end];
					end -= gap;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
			arr[end + gap] = tmp;
		}
	}
}

五、选择排序

每次从待排序的数据元素中选出最小(或最大)的一个元素,存放在序列的起始位置,直到全部待排序的元素排序完。

原理
每次从无序区间中选取一个最大(或最小)的一个元素,存放在无序区间的最后(或最前),直到全部待排序的元素排序完。

在元素集合中a r r [ i ]   a r r [ n − 1 ] arr[i]~arr[n-1]arr[i] arr[n−1]中选择最大(最小的元素)
若它不是这组元素中的最后一个(第一个元素),则将它与这组元素中的最后一个(第一个)元素交换
在剩余的a r r [ i ]   a r r [ n − 2 ] arr[i]~arr[n-2]arr[i] arr[n−2]集合中,重复此步骤,直到集合中剩余一个元素为止

 

代码:

// 选择排序
void SelectSort(int* arr, int n)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < n - 1; ++i)
	{
		int minIndex = i;//记录待排序区间最小元素下标
		int j = 0;
		for (j = i + 1; j < n; ++j)
		{
			if (arr[minIndex] > arr[j])
			{
				minIndex = j;
			}
		}
		int tmp = arr[minIndex];
		arr[minIndex] = arr[i];
		arr[i] = tmp;
	}
}

六、堆排序

堆排序是利用数据结构堆的特性来进行排序,它也是一种选择排序,它通过堆来选取数据。排升序建大堆,排降序建小堆。
堆的详细介绍可以看这一篇文章数据结构堆的详解

原理
每次将堆顶元素和最后一个元素进行交换,再进行向下调整,然后缩小待排序区间,直到数据有序,因为堆顶的元素一定是一组数据中的最大或者最小值。

注意:向下调整的前提是,这个根节点的左右子树一定要是一个堆(大堆或小堆)

代码

void HeapAdjust(int* arr, int start, int end)
{
	int tmp = arr[start];
	for (int i = 2 * start + 1; i <= end; i = i * 2 + 1)
	{
		if (i < end&& arr[i] < arr[i + 1])//有右孩子并且左孩子小于右孩子
		{
			i++;
		}//i一定是左右孩子的最大值
		if (arr[i] > tmp)
		{
			arr[start] = arr[i];
			start = i;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
	arr[start] = tmp;
}
void HeapSort(int* arr, int len)
{
	//第一次建立大根堆,从后往前依次调整
	for(int i=(len-1-1)/2;i>=0;i--)
	{
		HeapAdjust(arr, i, len - 1);
	}
	//每次将根和待排序的最后一次交换,然后在调整
	int tmp;
	for (int i = 0; i < len - 1; i++)
	{
		tmp = arr[0];
		arr[0] = arr[len - 1-i];
		arr[len - 1 - i] = tmp;
		HeapAdjust(arr, 0, len - 1-i- 1);
	}
}
int main()
{
	int arr[] = { 9,5,6,3,5,3,1,0,96,66 };
	HeapSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
	printf("排序后为:");
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

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