排序常用排序算法总结(一)

1. 插入排序

原理：将数组分为无序区和有序区两个区，然后不断将无序区的第一个元素按大小顺序插入到有序区中去，最终将所有无序区元素都移动到有序区完成排序。

对于未排序数据(右手抓到的牌)，在已排序序列(左手已经排好序的手牌)中从后向前扫描，找到相应位置并插入。

插入排序在实现上，通常采用in-place排序（即只需用到O(1)的额外空间的排序），因而在从后向前扫描过程中，需要反复把已排序元素逐步向后挪位，为最新元素提供插入空间。

#include <stdio.h>

// 分类 ------------- 内部比较排序
// 数据结构 ---------- 数组
// 最差时间复杂度 ---- 最坏情况为输入序列是降序排列的,此时时间复杂度O(n^2)
// 最优时间复杂度 ---- 最好情况为输入序列是升序排列的,此时时间复杂度O(n)
// 平均时间复杂度 ---- O(n^2)
// 所需辅助空间 ------ O(1)
// 稳定性 ------------ 稳定

void InsertionSort(int A[], int n)
{
    for (int i = 1; i < n; i++)         // 类似抓扑克牌排序
    {
        int get = A[i];                 // 右手抓到一张扑克牌
        int j = i - 1;                  // 拿在左手上的牌总是排序好的
        while (j >= 0 && A[j] > get)    // 将抓到的牌与手牌从右向左进行比较
        {
            A[j + 1] = A[j];            // 如果该手牌比抓到的牌大，就将其右移
            j--;
        }
        A[j + 1] = get; // 直到该手牌比抓到的牌小(或二者相等)，将抓到的牌插入到该手牌右边(相等元素的相对次序未变，所以插入排序是稳定的)
    }
}

int main()
{
    int A[] = { 6, 5, 3, 1, 8, 7, 2, 4 };// 从小到大插入排序
    int n = sizeof(A) / sizeof(int);
    InsertionSort(A, n);
    printf("插入排序结果：");
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", A[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

2. 冒泡排序

原理：从数组中第一个数开始，依次遍历数组中的每一个数，通过相邻比较交换，每一轮循环下来找出剩余未排序数的中的最大数并”冒泡”至数列的顶端。

#include <stdio.h>

// 分类 -------------- 内部比较排序
// 数据结构 ---------- 数组
// 最差时间复杂度 ---- O(n^2)
// 最优时间复杂度 ---- 如果能在内部循环第一次运行时,使用一个旗标来表示有无需要交换的可能,可以把最优时间复杂度降低到O(n)
// 平均时间复杂度 ---- O(n^2)
// 所需辅助空间 ------ O(1)
// 稳定性 ------------ 稳定

void Swap(int A[], int i, int j)
{
    int temp = A[i];
    A[i] = A[j];
    A[j] = temp;
}

void BubbleSort(int A[], int n)
{
    for (int j = 0; j < n - 1; j++)         // 每次最大元素就像气泡一样"浮"到数组的最后
    {
        for (int i = 0; i < n - 1 - j; i++) // 依次比较相邻的两个元素,使较大的那个向后移
        {
            if (A[i] > A[i + 1])            // 如果条件改成A[i] >= A[i + 1],则变为不稳定的排序算法
            {
                Swap(A, i, i + 1);
            }
        }
    }
}

int main()
{
    int A[] = { 6, 5, 3, 1, 8, 7, 2, 4 };    // 从小到大冒泡排序
    int n = sizeof(A) / sizeof(int);
    BubbleSort(A, n);
    printf("冒泡排序结果：");
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", A[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

3. 快速排序

快速排序使用分治策略(Divide and Conquer)来把一个序列分为两个子序列。步骤为：

1）从序列中挑出一个元素，作为"基准"(pivot).

2）把所有比基准值小的元素放在基准前面，所有比基准值大的元素放在基准的后面（相同的数可以到任一边），这个称为分区(partition)操作。

3）对每个分区递归地进行步骤1~2，递归的结束条件是序列的大小是0或1，这时整体已经被排好序了。

#include <stdio.h>

// 分类 ------------ 内部比较排序
// 数据结构 --------- 数组
// 最差时间复杂度 ---- 每次选取的基准都是最大（或最小）的元素，导致每次只划分出了一个分区，需要进行n-1次划分才能结束递归，时间复杂度为O(n^2)
// 最优时间复杂度 ---- 每次选取的基准都是中位数，这样每次都均匀的划分出两个分区，只需要logn次划分就能结束递归，时间复杂度为O(nlogn)
// 平均时间复杂度 ---- O(nlogn)
// 所需辅助空间 ------ 主要是递归造成的栈空间的使用(用来保存left和right等局部变量)，取决于递归树的深度，一般为O(logn)，最差为O(n)       
// 稳定性 ---------- 不稳定

void Swap(int A[], int i, int j)
{
    int temp = A[i];
    A[i] = A[j];
    A[j] = temp;
}

int Partition(int A[], int left, int right)  // 划分函数
{
    int pivot = A[right];               // 这里每次都选择最后一个元素作为基准
    int tail = left - 1;                // tail为小于基准的子数组最后一个元素的索引
    for (int i = left; i < right; i++)  // 遍历基准以外的其他元素
    {
        if (A[i] <= pivot)              // 把小于等于基准的元素放到前一个子数组末尾
        {
            Swap(A, ++tail, i);
        }
    }
    Swap(A, tail + 1, right);           // 最后把基准放到前一个子数组的后边，剩下的子数组既是大于基准的子数组
                                        // 该操作很有可能把后面元素的稳定性打乱，所以快速排序是不稳定的排序算法
    return tail + 1;                    // 返回基准的索引
}

void QuickSort(int A[], int left, int right)
{
    if (left >= right)
        return;
    int pivot_index = Partition(A, left, right); // 基准的索引
    QuickSort(A, left, pivot_index - 1);
    QuickSort(A, pivot_index + 1, right);
}

int main()
{
    int A[] = { 5, 2, 9, 4, 7, 6, 1, 3, 8 }; // 从小到大快速排序
    int n = sizeof(A) / sizeof(int);
    QuickSort(A, 0, n - 1);
    printf("快速排序结果：");
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", A[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

参考：

1. 常用排序算法总结(一)

排序 常用排序算法总结(一)

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