从来就没有救世主  也不靠神仙皇帝  要创造人类的幸福  全靠我们自己  

排序算法

 

 

 

1.  排序的基本概念与分类

(1)稳定性:关键字相等的记录在排序后没有改变起初的先后关系,那么该排序是稳定的

(2)内排序与外排序

  内排序:待排序记录全部在内存里             外排序:记录数太多,排序时要在内外存之间多次交换数据

 

  内排序:

    时间性能:比较、移动

    辅助空间

    算法的复杂性:算法本身的复杂性

 

  内排序主要分类:插入排序(直接插入排序、希尔排序)、交换排序(冒泡、快速)、选择排序(简单选择、堆排序)、归并排序

(3)各排序算法复杂度汇总

    冒泡:O(N2)

 

2. 排序

#define MAXSIZE 10

typedef struct {
    int r[MAXSIZE+1];
    int length;
}sqList;

 

  2.1 冒泡排序

       属于交换排序

  数组长为n

(1)v1

  从最前面开始,两两相邻元素比较。如果前面的比后面的大,就交换(升序);如果前面的比后面的小,就交换(降序)。

  两层for循环,数组长为n则要进行 n-1 次大循环,每经过一个大循环,一个最大的数(或最小的数)就交换到最后面去了。

  比较次数:n-1 + n-2 +...+1=(n2-n)/2      比较次数是固定的

  交换次数:最坏是(n2-n)/2

  稳定性:由于写的是只有大于或者小于才交换,且交换发生在相邻的元素上,所以是稳定的

 1 //flag==true,升序;false,降序
 2 void bubbleSort0(sqList *L,bool flag)
 3 {
 4     int len = L->length;
 5     for(int i=0;i<len-1;i++) {
 6         for(int j=0;(j+1)<(len-i);j++) {
 7             if(flag) {
 8                 if(L->r[j] > L->r[j+1]) { //升序  把大的数往后挪
 9                     myswap(L,j,j+1);
10                 }
11             }
12             else {
13                 if(L->r[j] < L->r[j+1]) { //降序  把小的数往后挪
14                     myswap(L,j,j+1);
15                 }
16             }
17         }
18     }
19 }

 

  或者可以从后往前:

void bubbleSort1(sqList *L,bool flag)
{
    int len = L->length;
    for(int i=0;i<len-1;i++) {
        for(int j=len-1;(j-1)>=i;j--) {
            if(flag) {
                if(L->r[j-1] > L->r[j]) { //升序   把小的数往前挪
                    myswap(L,j-1,j);
                }
            }
            else {
                if(L->r[j-1] < L->r[j]) { //降序   把大的数往前挪
                    myswap(L,j-1,j);
                }
            }
        }
    }
}

 

(2)v2

  优化:对于已经是升序或降序的数组,我们就没有必要进行那么多次的比较了。或者对于一些排序了几次就已经全部有序的,那么后续的比较也没有意义了。

  增加一个标志flag,如果在对待排序的部分进行比较后没有进行元素交换,那说明这部分已经有序了

  比较次数:最好:n-1次     最差同(1)

  交换次数:最好:0次        最差同(1)

 1 void bubbleSort2(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int len = L->length;
 4     bool status = true;
 5     for(int i=0;i<len-1 && status;i++) {
 6         status = false;
 7         for(int j=len-1;(j-1)>=i;j--) {
 8             if(flag) {
 9                 if(L->r[j-1] > L->r[j]) { //升序   把小的数往前挪
10                     myswap(L,j-1,j);
11                     status = true;
12                 }
13             }
14             else {
15                 if(L->r[j-1] < L->r[j]) { //降序   把大的数往前挪
16                     myswap(L,j-1,j);
17                     status = true;
18                 }
19             }
20         }
21     }
22 }

 

 

 

  2.2  简单选择排序 simple selection sort

  通过 n - i 次关键字之间的比较,从 n - i + 1个记录中选出关键字最小的记录,并和第 i(1≤i≤n) 各记录交换之。

  每经过一个小循环,用min_max标记了最小的或最大的元素,然后与最前面的元素交换。

  比较次数:最好最坏情况一样 n-1 + n-2 +...+1=(n2-n)/2

  交换次数:最好0次  最差:n-1次

  稳定性:由于从前往后找最值,且把最值放在前面,那么对于相等的两个元素,一定是前面的先移动,因此是稳定的

 1 void simpleSelection(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int len = L->length;
 4     int min_max = 0;
 5     for(int i = 0;i<len-1;i++) {
 6         min_max = i;
 7         for(int j= i+1;j<len;j++) { //小循环找到待排序里面的最小(或最大)元素
 8             if(flag) {  //升序
 9                 if(L->r[min_max]>L->r[j]) {
10                     min_max = j;
11                 }
12             }
13             else {  //降序
14                 if(L->r[min_max]<L->r[j]) {
15                     min_max = j;
16                 }
17             }
18         }
19         if(min_max != i) {
20             myswap(L,i,min_max);
21         }
22     }
23 }

 

  2.3 直接插入排序  straight insertion sort

  将整个记录看作有序部分和无序部分,每次从无序部分取一个放到有序表中合适位置,从而得到一个新的、记录数增1的有序表。

  空间消耗:需要一个辅助空间tmp

  比较次数:最好情况:比较(行7)n-1次,没有行7那就是在里面的for里面比较n-1次

          最坏情况:比较1+2+...+n-1=(n2-n)/2

  移动次数:最好情况:移动0次

          最坏情况:移动1+2+...+n-1=(n2-n)/2

 1 void insertionSort(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int len = L->length;
 4     int tmp,i,j;
 5     for(i=1;i<len;i++) { //L->r[i] 之前的数组都是有序的
 6         if(flag) {
 7             if(L->r[i]<L->r[i-1]) {   //取出的来无序元素小于有序表的最后一个元素才往下执行
 8                 tmp = L->r[i];
 9                 for(j=i-1;(j>=0) && (tmp<L->r[j]);j--) {
10                     L->r[j+1] = L->r[j];
11                 }
12                 L->r[j+1] = tmp;
13 //                for(j=i;(j>0) && (tmp<L->r[j-1]);j--) {
14 //                    L->r[j] = L->r[j-1];
15 //                }
16 //                L->r[j] = tmp;
17             }
18         }
19         else {
20             //降序
21             if(L->r[i]>L->r[i-1]) {
22                 tmp = L->r[i];
23                 for(j=i-1;(j>=0)&&(tmp>L->r[j]);j--) {
24                     L->r[j+1] = L->r[j];
25                 }
26                 L->r[j+1] = tmp;
27 //                for(j=i;(j>0) && (tmp>L->r[j-1]);j--) {
28 //                    L->r[j] = L->r[j-1];
29 //                }
30 //                L->r[j] = tmp;
31             }
32         }
33     }
34 }

  第7行、第21行:比如要对0,1,2升序排序,则不需要进到里面的for循环里面去。

  

 

  简单选择排序与直接插入排序比较:

    简单选择排序:数据移动少,最坏情况只要O(N)

                                        时间复杂度与序列的有序性无关

    直接插入排序:对于部分有序的序列性能较高

 

  2.4 希尔排序

  上面的排序都适合O(N2)时间复杂度的

  希尔排序是优化的直接插入排序

 

  先将较大的数据集合逻辑上分成若干组(增量组),然后对每一个小组的组内进行直接插入排序,因为小组内数据量小所以效率较高。小组内有序后,然后缩短增量,将整个数据集分成数据量比之前多一点的小组,虽然元素个数增多了,但是现在的小组内部分有序了,然后再次对各个小组直接插入排序。继续缩短增量,直到增量为1,这时的小组就是整个数据集合了,进行一次直接插入排序,整个数据集合就整体有序了。

  增量的选择:

  时间复杂度:一般O(n3/2)      最低:O(n*log2n)

  不稳定的算法

 1 void shellSort(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int len = L->length;
 4     int gap,tmp,i,j;
 5     for(gap=len/2;gap>0;gap/=2) {
 6 
 7         for(i=gap;i<len;i++) {
 8             if(flag) {
 9                 if(L->r[i]<L->r[i-gap]) {
10                     tmp = L->r[i];
11                     for(j=i-gap;(j>=0)&& tmp<L->r[j];j-=gap) {
12                         L->r[j+gap] = L->r[j];
13                     }
14                     L->r[j+gap] = tmp;
15                 }
16             }
17             else {
18                 if(L->r[i]>L->r[i-gap]) {
19                     tmp = L->r[i];
20                     for(j=i-gap;(j>=0)&& tmp>L->r[j];j-=gap) {
21                         L->r[j+gap] = L->r[j];
22                     }
23                     L->r[j+gap] = tmp;
24                 }
25             }
26         }
27     }
28 }

  通过第一层for控制增量,第二层和第三层for是对各组内进行直接插入排序

 

  2.5 堆排序

  简单选择排序中,每次在n个待排序的记录中经过n-1次比较找一个最小的记录。但是没有把每一次的比较结果保存下来,在后面的比较中,有很多已经在前一趟做过比较了,导致了比较次数比较多。

(1)大根堆、小根堆

  堆:一个完全二叉树。大根堆是每个结点的值都大于或等于其左右孩子的值  小根堆是每个结点的值都小于或等于其左右孩子的值

 

(2)堆排序

  属于选择排序

  将整个待排序序列构成大根堆,将根结点值放到序列最后并从堆上移走,将剩余元素重新构成堆,得到次大值.....

  关键步骤:①无序元素构成堆  ②输出堆顶元素后,调整剩余元素称为新的堆

  

  最坏、最好、平均时间复杂度:O(n*log2n)

  不稳定的排序算法

(3)

  结点从0开始:结点 i 的左子是 2*i + 1     右子是:2*i +1 +1

                              结点 i 的双亲结点是 (i-1)/2

        共n个结点:最后一个非叶子结点是 n/2 -1

 

  调整以结点 i 为根结点的子树:使根结点最大

 1 static void heapAdjust(sqList *L,int i,int len)
 2 {
 3     int temp,j;
 4     temp = L->r[i];
 5     for(j=2*i+1;j<len;j=2*j+1) {
 6         if((j+1)<len && L->r[j]<L->r[j+1]) {
 7             ++j;
 8         }
 9         if(L->r[j]>temp) {
10             L->r[i] = L->r[j];
11             i = j;
12         }
13         else {
14             break;
15         }         
16     }
17     L->r[i] = temp;
18 }

 

 

  构建大根堆:

 1 int len = L->length;
 2 for(int i=len/2-1;i>=0;i--) {
 3     //从第一个非叶子结点开始调整结构-----大根堆
 4     heapAdjust(L,i,len);
 5 }
 6 
 7 static void heapAdjust(sqList *L,int i,int len)
 8 {
 9     int temp,j;
10     temp = L->r[i];
11     for(j=2*i+1;j<len;j=2*j+1) {
12         if((j+1)<len && L->r[j]<L->r[j+1]) {  //找到左子、右子中较大的
13             ++j;
14         }
15         if(L->r[j]>temp) {
16             L->r[i] = L->r[j];
17             i = j;
18         }
19         else {
20             break;
21         }         
22     }
23     L->r[i] = temp;
24 }

 

  完整的堆排序:

 1 void headSort(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int len = L->length;
 4     for(int i=len/2-1;i>=0;i--) {
 5         //从第一个非叶子结点开始调整结构-----大根堆
 6         heapAdjust(L,i,len,flag);
 7     }
 8     for(int j=len-1;j>0;j--) {
 9         myswap(L,0,j);   //交换堆顶(0)元素和末尾元素
10         heapAdjust(L,0,j,flag);  //调整整个堆,不包括最后面的元素
11     }
12 }

 

(4)降序

  (3)的是构建大根堆,然后升序排序。降序需要构建小根堆。

  修改heapAdjust的行12、15

  构建小根堆:

 1 int len = L->length;
 2 for(int i=len/2-1;i>=0;i--) {
 3     //从第一个非叶子结点开始调整结构-----小根堆
 4     heapAdjust(L,i,len);
 5 }
 6 
 7 static void heapAdjust(sqList *L,int i,int len)
 8 {
 9     int temp,j;
10     temp = L->r[i];
11     for(j=2*i+1;j<len;j=2*j+1) {
12         if((j+1)<len && L->r[j]>L->r[j+1]) {  //找到左子、右子中较小的
13             ++j;
14         }
15         if(L->r[j]<temp) {
16             L->r[i] = L->r[j];
17             i = j;
18         }
19         else {
20             break;
21         }         
22     }
23     L->r[i] = temp;
24 }

 

  完整的降序:同升序,区别在于heapAdjust方法不同

 

(5)升序、降序写在一起

 1 static void heapAdjust(sqList *L,int i,int len,bool flag)
 2 {
 3     int temp,j;
 4     temp = L->r[i];
 5     for(j=2*i+1;j<len;j=2*j+1) {
 6         if(flag) {
 7             if((j+1)<len && L->r[j]<L->r[j+1]) {
 8                 ++j;
 9             }
10             if(L->r[j]>temp) {
11                 L->r[i] = L->r[j];
12                 i = j;
13             }
14             else {
15                 break;
16             }
17         }
18         else {
19             if((j+1)<len && L->r[j]>L->r[j+1]) {
20                 ++j;
21             }
22             if(L->r[j]<temp) {
23                 L->r[i] = L->r[j];
24                 i = j;
25             }
26             else {
27                 break;
28             }
29         }
30 
31     }
32     L->r[i] = temp;
33 }
34 
35 void headSort(sqList *L,bool flag)
36 {
37     int len = L->length;
38     for(int i=len/2-1;i>=0;i--) {
39         //从第一个非叶子结点开始调整结构-----大/小根堆
40         heapAdjust(L,i,len,flag);
41     }
42     for(int j=len-1;j>0;j--) {
43         myswap(L,0,j);   //交换堆顶(0)元素和末尾元素
44         heapAdjust(L,0,j,flag);  //调整整个堆
45     }
46 }

 

  2.6  归并排序 merging sort

  初始序列有n个记录,看成n个长度为1的子序列。两两归并,得到[n/2]个长度为2或1的有序子序列;继续两两归并....直到得到一个长度为n的有序序列为止。这种排序方法叫2路归并排序。

  最好、最坏、平均时间复杂度为O(n*log2n)

  但是需要一块序列同样长度的空间

  稳定排序算法

(1)递归形式

 

 

 

 1 void mergeSort(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int *tmp = nullptr;
 4     int n = L->length;
 5     tmp = (int*)malloc(n*sizeof(int));
 6     if(tmp == nullptr) {
 7         return;
 8     }
 9     msort(L->r,tmp,0,n-1,flag); 
10     if(tmp != nullptr) {
11         free(tmp);
12     }
13 }

 

 1 static void msort(int * a,int * tmp,int left,int right,bool flag)
 2 {
 3     int center;
 4     if(left<right) {
 5         center = (left+right)/2;
 6         msort(a,tmp,left,center,flag);
 7         msort(a,tmp,center+1,right,flag);
 8         merge(a,tmp,left,center+1,right,flag);
 9     }
10 }

  归并的递归程序,不断进入递归(分),直到 msort() 的left、right相邻(间隔1单位),如上面的图进入【50,10】,然后进入merge进行真正的比较和排序。

  merge函数:

 1 static void merge(int a[],int tmp[],int lpos,int rpos,int rightend,bool flag)
 2 {
 3     int i,leftend,nums,tmppos;
 4     leftend = rpos - 1;
 5     tmppos = lpos;
 6     nums = rightend - lpos + 1; //元素个数
 7 
 8     while(lpos<=leftend && rpos<=rightend) {
 9         if(flag) {
10             if(a[lpos]<=a[rpos]) {//这个等号是保证稳定必须的,不然右边的相等数就会先放到tmp数组了
11                 tmp[tmppos++] = a[lpos++];
12             }
13             else {
14                 tmp[tmppos++] = a[rpos++];
15             }
16         }
17         else {
18             if(a[lpos]>=a[rpos]) {//这个等号是保证稳定必须的,不然右边的相等数就会先放到tmp数组了
19                 tmp[tmppos++] = a[lpos++];
20             }
21             else {
22                 tmp[tmppos++] = a[rpos++];
23             }
24         }
25 
26     }
27 
28     while(lpos<=leftend) {
29         tmp[tmppos++] = a[lpos++];
30     }
31     while(rpos<=rightend) {
32         tmp[tmppos++] = a[rpos++];
33     }
34 
35     for(int i=0;i<nums;i++,rightend--) {
36         a[rightend] = tmp[rightend];
37     }
38 
39 }

  merge函数的过程如下图:图来自https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6194356.html

 

 

 

(2)非递归形式的

  代码没有递归的简洁,且很多地方判断容易出错,但是效率比递归的要好

 1 void mergeSort2(sqList *L,bool flag)
 2 {
 3     int* tmp = (int *)malloc(L->length*sizeof(int));
 4     int k = 1;
 5     while(k<L->length) {
 6         mergePass(L->r,tmp,k,L->length,flag);
 7         k *= 2;
 8         mergePass(tmp,L->r,k,L->length,flag);
 9         k *= 2;
10     }
11 }

  为什么要先mergePass(r,tmp)在mergePass(tmp,r):

    避免不必要的复制。这个复制来自哪里呢? 假如while循环里只用mergePass(r,tmp),则mergePass里面每次以k为间隔排序小组后,要在merge里面要先将元素排序到tmp,然后复制回r。然后变更k            值,又以新的k在merge里面先排序到tmp,再复制回r。这个复制是没必要的。我们直接将元素从r排序到tmp,再从tmp以新的间隔排序回r就行了。

  ①先以k=1为间隔,将数组r相邻的元素排序放到tmp中

 

 

   ②以k=2,将tmp的元素排序到r

 

   ③以k=4,将r元素排序到tmp

 

   ④以k=8,将tmp元素排序到r

 

   ⑤k=16,超过数组长度,则归并排序完成,退出

 

 1 static void mergePass(int* a,int* tmp,int s,int n,bool flag)
 2 {
 3     int i = 0;
 4     int j;
 5     while((i+2*s-1)<n) { //保证rightend小于n
 6         merge(a,tmp,i,i+s,i+2*s-1,flag);
 7         i += 2*s;
 8     }
 9     /*分情况,(1)要么n是2*s的倍数,则整个数组已经归并完了 i==n
10      (2)要么n是2*s的倍数还多几个,则没有归并完,没有归并完又分两种情况
11      ①剩下来2组,即1组够s个,1组不够s个  i+s(rpos)<n
12      ②剩下来1组,这1组是组内有序的(单独的组内必然是有序的)
13     */
14     //if(i<n) {
15     if((i+s)<n) { //上面的if(i<n)是不必要的,i+s<n则必定i是小于n的
16         merge(a,tmp,i,i+s,n-1,flag);
17     }
18     else {
19         for(int j=i;j<n;j++) {
20             tmp[j] = a[j];
21         }
22     }
23     //}
24 
25 }

  各行解释:

    首先要了解merge函数各个参数:将 [lpos,leftend]、[rpos,rightend] 这两个小组的元素排序放到另一个数组

    mergePass的参数s是要归并的小组的元素间隔:间隔从1起,则为1时有两个元素       n是原无序数组长度

               mergePass基本功能是:将a数组元素以k为间隔,将元素排序到tmp数组

    lpos为 i,i一开始是0:lpos是i,间隔是s,则leftend是i+s-1  rpos就是i+s  rightend就是i+2*s-1

                                                   这两个小组排序完成后,到下一对小组, lpos就是 i+2*s

               行5:要确保rightend要小于n 否则会越界

                        当退出循环时,要么整个数组已经排序完成了,这时候 i 等于 n。要是没有排序完,即剩下的元素不够 一对小组(剩下的元素还有两种情况)

               行15:对还剩下元素这种情况进行处理,情况①剩下的元素虽然不够一对小组(一对意识指两个小组元素个数相同),但是有1个组元素(组内肯定是有序的)加几个不够一小组的元素

                         这种情况要继续merge,只是rightend是n-1   这种情况的判断依据就是 rpos要小于n   ②剩下的元素是s个或更少,即只有一个小组或不够一个小组,这个组内是有序的,则直接复制到tmp数组去                    就行了(这里说的tmp是是指第二个参数指向的数组,有时候并不是真的指mergeSort2里面malloc的那个tmp)-----复制即行20

 

  根据上面的做法:我们从r排序到tmp,又从tmp复制到r,因此merge函数需要对递归的merge改动一下---------注释了35~37

 1 static void merge(int a[],int tmp[],int lpos,int rpos,int rightend,bool flag)
 2 {
 3     int i,leftend,nums,tmppos;
 4     leftend = rpos - 1;
 5     tmppos = lpos;
 6     nums = rightend - lpos + 1; //元素个数
 7 
 8     while(lpos<=leftend && rpos<=rightend) {
 9         if(flag) {
10             if(a[lpos]<=a[rpos]) {//这个等号是保证稳定必须的,不然右边的相等数就会先放到tmp数组了
11                 tmp[tmppos++] = a[lpos++];
12             }
13             else {
14                 tmp[tmppos++] = a[rpos++];
15             }
16         }
17         else {
18             if(a[lpos]>=a[rpos]) {//这个等号是保证稳定必须的,不然右边的相等数就会先放到tmp数组了
19                 tmp[tmppos++] = a[lpos++];
20             }
21             else {
22                 tmp[tmppos++] = a[rpos++];
23             }
24         }
25 
26     }
27 
28     while(lpos<=leftend) {
29         tmp[tmppos++] = a[lpos++];
30     }
31     while(rpos<=rightend) {
32         tmp[tmppos++] = a[rpos++];
33     }
34 
35 //    for(int i=0;i<nums;i++,rightend--) {
36 //        a[rightend] = tmp[rightend];
37 //    }
38 
39 }

 

                                           

  2.7 快速排序

  冒泡排序的升级版,属于交换排序

  采取双向查找的策略,每一趟选择当前所有子序列中一个关键字作为 枢纽轴,比这个枢纽小的前移,大的后移。第一次完成后得到两组序列,一组序列的值全部比另一组的小,然后分别对两个组进行      同样操作:选择枢纽轴,前移后移......

  最好情况:O(n*log2n)   最坏:O(n2)    平均:O(n*log2n)

  不稳定算法

1 void quickSort(sqList *L,bool flag)
2 {
3     qSort(L,0,L->length-1,flag);
4 }

 

1 static void qSort(sqList *L,int low,int high,bool flag)
2 {
3     int pivot;
4     if(low<high) {
5         pivot = partition(L,low,high,flag);
6         qSort(L,low,pivot-1,flag);
7         qSort(L,pivot+1,high,flag);
8     }
9 }

 

 1 static int partition(sqList *L,int low,int high,bool flag)
 2 {
 3     int pivotkey = L->r[low];
 4     while(low<high) {
 5         if(flag) {
 6             while(low<high && L->r[high]>=pivotkey) {
 7                 high--;
 8             }//遇到比pivotkey小的值了退出while
 9             myswap(L,low,high);
10             while(low<high && L->r[low]<=pivotkey) {
11                 low++;
12             }
13             myswap(L,low,high);
14         }
15         else {
16             while(low<high && L->r[high]<=pivotkey) {
17                 high--;
18             }//遇到比pivotkey大的值了退出while
19             myswap(L,low,high);
20             while(low<high && L->r[low]>=pivotkey) {
21                 low++;
22             }
23             myswap(L,low,high);
24         }
25     }
26     return low;
27 }

 

  快速排序的优化:

  ①优化选取枢纽轴

     当这个值是整个序列有序情况下最中间的值时候,排序性能最好

     三数取中法:取三个关键字先排序,取中间数作为枢纽轴,则至少这个值不会是整个序列中最小或最大的数

 1 static int median3(sqList *L,int low,int high)
 2 {
 3     int pivotkey = 0;
 4     int m = low+(high-low)/2;
 5     if(L->r[low]>L->r[high]) {
 6         myswap(L,low,high);  //左右端交换,则左端较小
 7     }
 8     if(L->r[m]>L->r[high]) {
 9         myswap(L,m,high);  //中间和右端交换,则中间较小
10     }
11     if(L->r[m]>L->r[low]) {
12         myswap(L,m,low);  //中间和左边交换,则r[m]是
13     }
14     //到这里,r[low]就是中间的值
15     pivotkey = L->r[low];
16     return pivotkey;
17 }

  九数取中:分三次取,每次取三个数得到各自的中值,再对三个中值取中值

 

  ②优化不必要的交换

  

  2.8 

 

posted @ 2020-02-26 01:28  T,X  阅读(180)  评论(0编辑  收藏  举报