冒泡排序（Bubble Sort）详细教程：Java实现与优化

一、什么是冒泡排序？

冒泡排序（Bubble Sort）是一种简单的排序算法，它的基本思想是通过两两比较相邻元素，将较大的元素“冒泡”到数列的末尾。每一轮遍历会将一个较大的元素放到正确的位置，直到整个数组有序。

冒泡排序的基本思想：

从数列的起始位置开始，依次比较相邻的元素。
如果前一个元素大于后一个元素，则交换它们的位置。
一轮遍历结束后，最大的元素会“冒泡”到数列的末尾。
重复上述过程，直到整个数列有序。

二、冒泡排序的工作原理

假设有一个数组 [64, 34, 25, 12, 22, 11]，我们使用冒泡排序对其进行排序。以下是每个步骤的详细描述：

第一轮遍历：

比较 64 和 34，发现 64 > 34，所以交换它们，数组变为 [34, 64, 25, 12, 22, 11]。
比较 64 和 25，发现 64 > 25，交换它们，数组变为 [34, 25, 64, 12, 22, 11]。
比较 64 和 12，发现 64 > 12，交换它们，数组变为 [34, 25, 12, 64, 22, 11]。
比较 64 和 22，发现 64 > 22，交换它们，数组变为 [34, 25, 12, 22, 64, 11]。
比较 64 和 11，发现 64 > 11，交换它们，数组变为 [34, 25, 12, 22, 11, 64]。

经过一轮遍历，最大的数 64 已经被排到了数组的末尾。

第二轮遍历：

比较 34 和 25，发现 34 > 25，交换它们，数组变为 [25, 34, 12, 22, 11, 64]。
比较 34 和 12，发现 34 > 12，交换它们，数组变为 [25, 12, 34, 22, 11, 64]。
比较 34 和 22，发现 34 > 22，交换它们，数组变为 [25, 12, 22, 34, 11, 64]。
比较 34 和 11，发现 34 > 11，交换它们，数组变为 [25, 12, 22, 11, 34, 64]。

经过第二轮遍历，第二大的数 34 被排到了倒数第二个位置。

第三轮遍历：

比较 25 和 12，发现 25 > 12，交换它们，数组变为 [12, 25, 22, 11, 34, 64]。
比较 25 和 22，发现 25 > 22，交换它们，数组变为 [12, 22, 25, 11, 34, 64]。
比较 25 和 11，发现 25 > 11，交换它们，数组变为 [12, 22, 11, 25, 34, 64]。

经过第三轮遍历，第三大的数 25 被排到了倒数第三个位置。

三、Java实现冒泡排序

下面是冒泡排序的 Java 代码实现：

public class BubbleSort {

    // 冒泡排序算法
    public static void bubbleSort(int[] arr) {
        int n = arr.length;

        // 外层循环控制遍历次数
        for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
            // 内层循环进行相邻元素的比较和交换
            for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++) {
                // 比较相邻元素，若前者大于后者则交换
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    // 交换位置
                    int temp = arr[j];
                    arr[j] = arr[j + 1];
                    arr[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
    }

    // 打印数组
    public static void printArray(int[] arr) {
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {64, 25, 12, 22, 11};

        System.out.println("原始数组:");
        printArray(arr);

        bubbleSort(arr);

        System.out.println("排序后的数组:");
        printArray(arr);
    }
}

四、冒泡排序的优化

虽然冒泡排序简单易懂，但它在效率上不够理想，尤其在数组较大时，性能表现较差。优化冒泡排序的方法之一是引入一个标志位 swapped 来判断是否发生了交换。

优化后的冒泡排序：

public class OptimizedBubbleSort {

    public static void bubbleSort(int[] arr) {
        int n = arr.length;

        // 外层循环控制遍历次数
        for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
            boolean swapped = false;

            // 内层循环进行相邻元素的比较和交换
            for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++) {
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    int temp = arr[j];
                    arr[j] = arr[j + 1];
                    arr[j + 1] = temp;
                    swapped = true;
                }
            }

            // 如果没有发生交换，提前终止
            if (!swapped) {
                break;
            }
        }
    }

    public static void printArray(int[] arr) {
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {64, 25, 12, 22, 11};

        System.out.println("原始数组:");
        printArray(arr);

        bubbleSort(arr);

        System.out.println("排序后的数组:");
        printArray(arr);
    }
}

通过使用 swapped 标志位，在某一轮遍历没有发生交换时，我们可以提前终止排序过程，从而避免不必要的遍历，提升性能。

五、时间复杂度与空间复杂度分析

时间复杂度：

最坏情况： 当输入数组是倒序排列时，每一轮内层循环都需要进行交换。总的比较次数为 O(n2)O(n^2)O(n2)，所以时间复杂度为 O(n2)O(n^2)O(n2)。
最好情况： 当输入数组已经是有序时，优化后的冒泡排序会提前终止，时间复杂度为 O(n)O(n)O(n)。
平均情况： 对于无序数组，时间复杂度通常是 O(n2)O(n^2)O(n2)。