C语言冒泡排序、选择排序和快速排序

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目录

• 前言
• 一、冒泡排序
• 二、选择排序
• 三、 快速排序
• 四、代码设计与实现
  • 代码设计
  • 代码实现
• 调试结果
  • 冒泡排序改良
• 延伸思考
• 总结

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前言

本文简单介绍了C语言的冒泡排序、选择排序、快速排序，结合本人的理解与使用做一下记录。

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一、冒泡排序

思想：（以小到大排序为例）假设一个数组有n个数，第一轮遍历这个数组的前（n-1）个数，遍历的时候比较当前位置和下一个位置的数，如果当前位置的数比较大，就跟下一个数交换位置；所以第一轮结束之后，就会把最大的数“沉”到数组的末尾位置；第二轮遍历这个数组的前（n-2）个数，按照前面的方法把第二大的数“沉”到数组的倒数第二个位置；依此类推，（n-1）轮之后每一个较大的数都按顺序沉到了数组的相应位置。

二、选择排序

思想：使用for循环对数组进行排序；每循环一次，选择出一个较大的数，然后与
数组中的第n个位置交换数据，n从0开始。假设这个数组有n个数据，那么循环（n-1）次即可完成排序。

三、 快速排序

思想：

1. 首先确定一个target，找到这个target在数组中的位置；它会把这个数组分割成两部分（你可以认为是两个待排序的区域），并且左边的数都比它小，右边的数都比它大；
2. 这两个区域都设置了新的target，然后通过递归确定左边这个区域的新target的位置和右边这个区域的新target的位置；继续分割继续递归直到区域的数据只有一个为止；
3. 最终可以实现数组中的每一个数据的左边的数都比它小且右边的数都比它大，从而完成排序。

四、代码设计与实现

代码设计

编写一个程序，随机生成10个整数并赋值给数组；然后分别使用冒泡排序、选择排序和快速排序对这个数组进行排序并打印出排序后的结果。

代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>


void BubbleSort(int *a, int length) ;
void select_sort(int *array, int size);
void quick_sort(int *array, int low, int high);

#define SIZE 10
//#define SELECT_SORT
//#define BUBBLE_SORT
#define QUICK_SORT

int main(void)
{
	int array[SIZE];
	int i;
	
	srand(time(0));	//设置随机数种子
	//使用随机数初始化数组
	for(i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		array[i] = rand() % (50-3+1)+3;	//生成[3,50]范围内的随机整数
	}
	
	printf("排序之前，数组为:");
	for(i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("%d\t", array[i]);
	}
	printf("\n");

#ifdef SELECT_SORT
	//使用选择排序对数组从大到小排序
	select_sort(array, SIZE);
#elif defined BUBBLE_SORT
	//选择冒泡排序对数组从小到大排序
	BubbleSort(array, SIZE);
#else
	//使用快速排序对数组从小到大排序
	quick_sort(array, 0, SIZE-1);
#endif
	printf("排序之后，数组变为:");
	for(i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("%d\t", array[i]);
	}
	printf("\n");



	return 0;
}

//冒泡排序
void BubbleSort(int *a, int length) 
{
	int temp;
	for (int i = 0; i < length - 1; i++)
	{
		for (int j = 0; j < length - i - 1; j++)
		{
			if (a[j] > a[j + 1])
			{
				
				temp = a[j];
				a[j] = a[j + 1];
				a[j + 1] = temp;
			}
		}
	}
}

//选择排序
void select_sort(int *array, int size)
{
	int max;
	int pos;
	int i,j;
	int tmp;

	max = array[0];
	pos = 0;
	for(i = 0; i < size-1; i++)	//循环一次就找到一个较大的数，然后与数组的第n个数据交换位置(n从0开始)
	{
		for(j = i; j <= size-1; j++)
		{
			if(array[j] > max)
			{
				max = array[j];
				pos = j;
			}
		}
		tmp = array[i];
	       	array[i] = array[pos];
		array[pos] = tmp;
		max = array[i+1];
		pos = i+1;
	}
}

//快速排序
void quick_sort(int *array, int low, int high)
{

	if(low < high)
	{
		int i = low;
		int j = high;
		int key = array[low];
		
		while(i < j)	//两个游标重合，即可确定key的位置
		{
			while(i < j && array[j] > key)	//从右往左找，找到一个小于等于key的数据，然后与key交换位置
			{
				j--;
			}
			if(i < j)
			{
				array[i++] = array[j];	//把找到的这个数放到key的位置
			}

			while(i < j && array[i] <= key)	//从左往右找，找到一个大于key的数据，然后与key交换位置
			{
				i++;
			}
			if(i < j)
			{
				array[j--] = array[i];	//把找到的这个数放到key的位置
			}
		}

		array[i] = key;
		
		quick_sort(array, low, i-1);
		quick_sort(array, i+1, high);
	}
}

代码分析：

首先是使用srand函数设置随机数种子，time(0)是用来获取随机数种子；
然后使用rand函数产生随机数，赋值给数组元素；
如果要产生[m,n]范围内的随机数num，可用：

int num=rand()%(n-m+1)+m;

其中的rand()%(n-m+1)+m算是一个公式

上面的代码可以选择冒泡排序、选择排序或者选择快速排序，可以通过宏选择。
我有看过别人写的快速排序，我觉得有些操作是可以优化的；比如交换数据这一步，因为key的位置有可能一直在变，所以没必要每次都把key写到某个位置（过渡位置），只需要确定好最终位置再赋值。

当然，上面这个只是示例代码，还可以再封装、再优化，需要大家再斟酌一下。

调试结果

下图是冒泡排序，对数组从小到大排序

zzc@zzc-virtual-machine:~/share$ ./1
排序之前，数组为:26	43	47	37	22	48	48	8	37	15	
排序之后，数组变为:8	15	22	26	37	37	43	47	48	48

下图是选择排序，对数组从大到小排序

zzc@zzc-virtual-machine:~/share$ ./1
排序之前，数组为:  40   10	31	26	23	48	50	6	30	41	
排序之后，数组变为:50	  48	41	40	31	30	26	23	10	6	

下图是快速排序，对数组从小到大排序

zzc@zzc-virtual-machine:~/share$ ./1
排序之前，数组为:33	30	24	27	23	41	29	9	8	4	
排序之后，数组变为:4	8	9	23	24	27	29	30	33	41	

冒泡排序改良

我们可以对冒泡进行改良，一个数组中的数据可以分为有序数列和无序数列；排序过程中，有序数列处于数组的后半段，不需要再给它排序，只需要对无序数列进行排序。
另外，如果第一轮比较下来发现没有数据交换位置，那就表示整个数组已经排列好了，直接结束排序即可。

按照这个思路，我们来实现一个示例，如下：

//冒泡排序改良版
void BubbleSortNew(int *a, int length) 
{
	int temp;
	//记录最后一次交换的位置
	int last_exchange_index = 0;
	//无序数列的边界，每次比较只需要比到这里	
	int sort_border = length - 1;

	for (int i = 0; i < length - 1; i++)
	{
		bool isSorted = true;
		for (int j = 0; j < sort_border; j++)
		{
			if (a[j] > a[j + 1])
			{
				isSorted = false;	//有数据要交换位置，所以不是有序，标志置为false 
				temp = a[j];
				a[j] = a[j + 1];
				a[j + 1] = temp;
				last_exchange_index = j;
			}
		}
		sort_border = last_exchange_index;
		if(isSorted)	//一轮下来是否发生数据交换，没有就退出排序
			break;
	}
}

实测对10000个随机数（范围为0到9999）进行排序，在笔者的主机环境中传统的冒泡花费了158237 个cpu clock，而改良版话费了151638 个cpu clock，节省了6599个cpu clock，所以效率上还是有所提高的。

延伸思考

常见算法时间复杂度如下图：

1、快速排序虽然效率较高、耗时短，但是一直压栈（数据量很大的时候）很容易造成堆栈溢出
2、排序算法应该尽量避免使用递归。
3、排序算法非常多，应该结合具体的应用场景来选择合适的算法。（从来没有最好的，只有最适合你的）

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总结

本文主要介绍了C语言中冒泡排序、选择排序和快速排序的思想，并进行了相应的代码实现和调试。
同时对冒泡排序进行了改良。