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从零开始养成算法·篇二十一:十大经典排序算法(1)

从零开始养成算法·篇二十一:十大经典排序算法(1)

作者: 文竹_自然 | 来源:发表于2020-05-19 16:48 被阅读0次
    \color{red}{排序的定义:}

    对一序列对象根据某个关键字进行排序。

    \color{red}{算法的分类:}

    比较类排序:通过比较来决定元素间的相对次序,由于其时间复杂度不能突破O(nlogn),因此也称为非线性时间比较类排序。比较排序的优势是,适用于各种规模的数据,也不在乎数据的分布,都能进行排序。可以说,比较排序适用于一切需要排序的情况。

    非比较类排序:不通过比较来决定元素间的相对次序,它可以突破基于比较排序的时间下界,以线性时间运行,因此也称为线性时间非比较类排序。 非比较排序只要确定每个元素之前的已有的元素个数即可,所有一次遍历即可解决。算法时间复杂度O(n)。 非比较排序时间复杂度底,但由于非比较排序需要占用空间来确定唯一位置。所以对数据规模和数据分布有一定的要求。

    11.png
    \color{red}{算法的复杂度:}
    12.png
    \color{red}{相关概念:}

    稳定:如果a原本在b前面,而a=b,排序之后a仍然在b的前面。

    不稳定:如果a原本在b的前面,而a=b,排序之后 a 可能会出现在 b 的后面。

    时间复杂度:对排序数据的总的操作次数。反映当n变化时,操作次数呈现什么规律。

    空间复杂度:是指算法在计算机

    内执行时所需存储空间的度量,它也是数据规模n的函数。

    \color{orange}{1、冒泡排序:}

    冒泡排序 是一种简单的排序算法。它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果它们的顺序错误就把它们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

    void BubbleSort2(SqList *L){
        int i,j;
        //flag用作标记
        Status flag = TRUE;
         //i从[1,L->length) 遍历;
        //如果flag为False退出循环. 表示已经出现过一次j从L->Length-1 到 i的过程,都没有交换的状态;
        for (i = 1; i < L->length && flag; i++) {
            //flag 每次都初始化为FALSE
            flag = FALSE;
            for (j = L->length-1; j>=i; j--) {
                if(L->r[j] > L->r[j+1]){
                //交换L->r[j]和L->r[j+1]值;
                swap(L, j, j+1);
                //如果有任何数据的交换动作,则将flag改为true;
                flag=TRUE;
                }
            }
        }
    }
    

    \color{orange}{2、选择排序:}

    选择排序 是表现最稳定的排序算法之一 ,因为无论什么数据进去都是O(n2)的时间复杂度 ,所以用到它的时候,数据规模越小越好。唯一的好处可能就是不占用额外的内存空间了吧。理论上讲,选择排序可能也是平时排序一般人想到的最多的排序方法了吧。

    选择排序(Selection-sort) 是一种简单直观的排序算法。它的工作原理:首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。

    void SelectSort(SqList *L){
        int i,j,min;
        for (i = 1; i < L->length; i++) {
            //① 将当前下标假设为最小值的下标
            min = i;
            //② 循环比较i之后的所有数据
            for (j = i+1; j <= L->length; j++) {
                //③ 如果有小于当前最小值的关键字,将此关键字的下标赋值给min
                if (L->r[min] > L->r[j]) {
                    min = j;
                }
            }
            //④ 如果min不等于i,说明找到了最小值,则交换2个位置下的关键字
            if(i!=min)
                swap(L, i, min);
        }
    }
    

    \color{orange}{3、直接插入排序:}

    插入排序(Insertion-Sort) 的算法描述是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列,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。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。

    void InsertSort(SqList *L){
        int i,j;
        //L->r[0] 哨兵 可以把temp改为L->r[0]
        int temp=0;
        //假设排序的序列集是{0,5,4,3,6,2};
        //i从2开始的意思是我们假设5已经放好了. 后面的牌(4,3,6,2)是插入到它的左侧或者右侧
        for(i=2;i<=L->length;i++)
        {
            //需将L->r[i]插入有序子表
            if (L->r[i]<L->r[i-1])
            {
                //设置哨兵 可以把temp改为L->r[0]
                temp = L->r[i];
                for(j=i-1;L->r[j]>temp;j--)
                        //记录后移
                        L->r[j+1]=L->r[j];
                
                //插入到正确位置 可以把temp改为L->r[0]
                L->r[j+1]=temp;
            }
        }
    }
    

    \color{orange}{4、希尔排序:}

    希尔排序是希尔(Donald Shell) 于1959年提出的一种排序算法。希尔排序也是一种插入排序,它是简单插入排序经过改进之后的一个更高效的版本,也称为缩小增量排序,同时该算法是冲破O(n2)的第一批算法之一。它与插入排序的不同之处在于,它会优先比较距离较远的元素。希尔排序又叫缩小增量排序。

    >希尔排序是把记录按下表的一定增量分组,对每组使用直接插入排序算法排序;随着增量逐渐减少,每组包含的关键词越来越多,当增量减至1时,整个文件恰被分成一组,算法便终止。
    
    void shellSort(SqList *L){
        int i,j;
        int increment = L->length;
         //0,9,1,5,8,3,7,4,6,2
        //① 当increment 为1时,表示希尔排序结束
        do{
            //② 增量序列
            increment = increment/3+1;
            //③ i的待插入序列数据 [increment+1 , length]
            for (i = increment+1; i <= L->length; i++) {
                //④ 如果r[i] 小于它的序列组元素则进行插入排序,例如3和9. 3比9小,所以需要将3与9的位置交换
                if (L->r[i] < L->r[i-increment]) {
                    //⑤ 将需要插入的L->r[i]暂时存储在L->r[0].和插入排序的temp 是一个概念;
                    L->r[0] = L->r[i];
                    
                    //⑥ 记录后移
                    for (j = i-increment; j > 0 && L->r[0]<L->r[j]; j-=increment) {
                        L->r[j+increment] = L->r[j];
                    }
                    
                    //⑦ 将L->r[0]插入到L->r[j+increment]的位置上;
                    L->r[j+increment] = L->r[0];
                }
            }
        }while (increment > 1);
    }
    

    \color{orange}{5、堆排序:}

    堆排序(Heapsort) 是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构,并同时满足堆积的性质:即子结点的键值或索引总是小于(或者大于)它的父节点。

    void HeapSort(SqList *L){
        int i;
        //1.将现在待排序的序列构建成一个大顶堆;
        //将L构建成一个大顶堆;
        //i为什么是从length/2.因为在对大顶堆的调整其实是对非叶子的根结点调整.
        for(i=L->length/2; i>0;i--){
            HeapAjust(L, i, L->length);
        }
        //2.逐步将每个最大的值根结点与末尾元素进行交换,并且再调整成大顶堆
        for(i = L->length; i > 1; i--){
            
            //① 将堆顶记录与当前未经排序子序列的最后一个记录进行交换;
            swap(L, 1, i);
            //② 将L->r[1...i-1]重新调整成大顶堆;
            HeapAjust(L, 1, i-1);
        }
    }
    
    //大顶堆调整函数;
    /*
     条件: 在L.r[s...m] 记录中除了下标s对应的关键字L.r[s]不符合大顶堆定义,其他均满足;
     结果: 调整L.r[s]的关键字,使得L->r[s...m]这个范围内符合大顶堆定义.
     */
    void HeapAjust(SqList *L,int s,int m){
        
        int temp,j;
        //① 将L->r[s] 存储到temp ,方便后面的交换过程;
        temp = L->r[s];
        
        //② j 为什么从2*s 开始进行循环,以及它的递增条件为什么是j*2
        //因为这是颗完全二叉树,而s也是非叶子根结点. 所以它的左孩子一定是2*s,而右孩子则是2s+1;(二叉树性质5)
        for (j = 2 * s; j <=m; j*=2) {
            
            //③ 判断j是否是最后一个结点, 并且找到左右孩子中最大的结点;
            //如果左孩子小于右孩子,那么j++; 否则不自增1. 因为它本身就比右孩子大;
            if(j < m && L->r[j] < L->r[j+1])
                ++j;
            
            //④ 比较当前的temp 是不是比较左右孩子大; 如果大则表示我们已经构建成大顶堆了;
            if(temp >= L->r[j])
                break;
            
            //⑤ 将L->[j] 的值赋值给非叶子根结点
            L->r[s] = L->r[j];
            //⑥ 将s指向j; 因为此时L.r[4] = 60, L.r[8]=60. 那我们需要记录这8的索引信息.等退出循环时,能够把temp值30 覆盖到L.r[8] = 30. 这样才实现了30与60的交换;
            s = j;
        }
        //⑦ 将L->r[s] = temp. 其实就是把L.r[8] = L.r[4] 进行交换;
        L->r[s] = temp;
    }
    

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