《大话数据结构》第9章排序 9.5 直接插入排序

9.5.1 直接插入排序算法
扑克牌是我们几乎每个人都可能从事过的游戏。而最基本的扑克玩法都是一边摸牌，一边理牌。假如我们拿到了这样一手牌，如图9-5-1。啊，似乎是同花顺呀，别急，我们得理一理顺序才知道是否是真的同花顺。请问，如果是你，应该如何理牌呢？

        应该说，哪怕你是第一次玩扑克牌，只要认识这些数字，理牌的方法都是不用教的。将3和4移动到5的左侧，再将2移动到最左侧，顺序就算是理好了。这里，我们的理牌方法，就是直接插入排序法。
        直接插入排序（Straight Insertion Sort）的基本操作是将一个记录插入到已经排好序的有序表中，从而得到一个新的、记录数增1的有序表。
        顾名思义，从名称上也可以知道它是一种插入排序的方法。我们来看直接插入排序法的代码。（注：要了解算法的原理，直接看代码和后面的解释并不是最好的办法。将代码输入到电脑中，运行并断点逐行跟踪，参照本文的讲解和图示，观察变量的变化情况，才会收到比较好的效果。这里的代码全是用C语言编写，不过对于擅长C#的读者应该不存在阅读难度。）

1 void InsertSort(SqList *L)
2 {
3   int i,j;
4   for(i=2;i<=L->length;i++)
5   {
6    if (L->r[i]<L->r[i-1])   /* 需将L->r[i]插入有序子表 */
7    {
8     L->r[0]=L->r[i];    /* 设置哨兵 */
9     for(j=i-1;L->r[j]>L->r[0];j--)
10      L->r[j+1]=L->r[j];  /* 记录后移 */
11     L->r[j+1]=L->r[0];   /* 插入到正确位置 */
12    }
13   }
14 }

1) 程序开始运行，此时我们传入的SqList参数的值为length=6,r[6]={0,5,3,4,6,2}，其中r[0]=0将用于后面起到哨兵的作用。
2) 第4～13行就是排序的主循环。i从2开始的意思是我们我们假设r[1]=5已经放好位置，后面的牌其实就是插入到它的左侧还是右侧的问题。
3) 第6行，此时i=2，L.r[i]=3比L.r[i-1]=5要小，因此执行第8～11行的操作。第8行，我们将L.r[0]赋值为L.r[i]=3的目的是为了起到第9～10行的循环终止的判断依据。如图9-5-2。图中下方的虚线箭头，就是第10行，L.r[j-1]=L.r[j]的过程，将5右移一位。

4) 此时，第10行就是在移动完成后，空出了空位，然后第11 行L.r[j+1]=L.r[0]，将哨兵的3赋值给j=0时的L.r[j+1]，也就是说，将扑克牌3放放置到L.r[1]的位置。如图9-5-3。

5) 继续循环，第6行，因为此时i=3，L.r[i]=4比L.r[i-1]=5要小，因此执行第8～11行的操作。将5再右移一位，将4放置到当前5所在位置。如图9-5-4。

6) 再次循环，此时i=4。因为L.r[i]=6比L.r[i-1]=5要大，于是第8～11行代码不执行，此时前三张牌的位置没有变化。如图9-5-5。

7) 再次循环，此时i=5，因为L.r[i]=2比L.r[i-1]=6要小，因此执行第8～11行的操作。由于6、5、4、3都比2小，它们都将右移一位，将2放置到当前3所在位置。如图9-5-6。此时我们的排序也就完成了。

9.5.2 直接插入排序复杂度分析

        我们来分析一下这个算法，从空间上来看，它只需要一个记录的辅助空间。因此关键是看它的时间复杂度。
        当最好的情况，也就是要排序的表本身就是有序的，比如纸牌拿到后就是{2,3,4,5,6}，那么我们比较次数，其实就是代码第6行每个L.r[i]与L.r[i-1的比较，共比较了次，由于每次都是L.r[i]>L.r[i-1]，因此没有移动的记录，时间复杂度为O(n)。
        当最坏的情况，即待排序表是逆序的情况比如{6,5,4,3,2}，此时需要比较次，而记录的移次数也达到最大值次。
        如果排序记录是随机的，那么根据概率相同的原则，平均比较和移动次约为n²/4 次。因此，我们得出直接插入排序法的时间复杂度为O(n²)。从这里也看出，同样的O(n²)时间复杂度，直接插入排序法比冒泡和简单选择排序的性能要好一些。