重学数据结构和算法(四)之冒泡排序、插入排序、选择排序 |
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最近学习了极客时间的《数据结构与算法之美》很有收获,记录总结一下。 欢迎学习老师的专栏:数据结构与算法之美 代码地址:https://github.com/peiniwan/Arithmetic 排序我们知道,时间复杂度反应的是数据规模 n 很大的时候的一个增长趋势,所以它表示的时候会忽略系数、常数、低阶。但是实际的软件开发中,我们排序的可能是 10 个、100 个、1000 个这样规模很小的数据,所以,在对同一阶时间复杂度的排序算法性能对比的时候,我们就要把系数、常数、低阶也考虑进来。 基于比较的排序算法的执行过程,会涉及两种操作,一种是元素比较大小,另一种是元素交换或移动。所以,如果我们在分析排序算法的执行效率的时候,应该把比较次数和交换(或移动)次数也考虑进去。 ![]() 排序算法的内存消耗 算法的内存消耗可以通过空间复杂度来衡量,排序算法也不例外。不过,针对排序算法的空间复杂度,我们还引入了一个新的概念,原地排序(Sorted in place)。原地排序算法,就是特指空间复杂度是 O(1) 的排序算法。冒泡、插入、选择,都是原地排序算法。 排序算法的稳定性 针对排序算法,我们还有一个重要的度量指标,稳定性。这个概念是说,如果待排序的序列中存在值相等的元素,经过排序之后,相等元素之间原有的先后顺序不变。 我通过一个例子来解释一下。比如我们有一组数据 2,9,3,4,8,3,按照大小排序之后就是 2,3,3,4,8,9。这组数据里有两个 3。 经过某种排序算法排序之后,如果两个 3 的前后顺序没有改变,那我们就把这种排序算法叫作稳定的排序算法;如果前后顺序发生变化,那对应的排序算法就叫作不稳定的排序算法。 稳定排序算法可以保持金额相同的两个对象,在排序之后的前后顺序不变 稳定排序有:插入排序,基数排序,归并排序 ,冒泡排序 ,基数排序。不稳定的排序算法有:快速排序,希尔排序,简单选择排序,堆排序。排序的稳定性,就是指,在对a关键字排序后会不会改变其他关键字的顺序。冒泡排序(Bubble Sort)稳定、原地排序 我们要对一组数据 4,5,6,3,2,1,从小到大进行排序。经过一次冒泡操作之后,6 这个元素已经存储在正确的位置上。要想完成所有数据的排序,我们只要进行 6 次这样的冒泡操作就行了。 ![]() 实际上,刚讲的冒泡过程还可以优化。当某次冒泡操作已经没有数据交换时,说明已经达到完全有序,不用再继续执行后续的冒泡操作。我这里还有另外一个例子,这里面给 6 个元素排序,只需要 4 次冒泡操作就可以了。 ![]() 稳定、原地排序 基本思想是每一步将一个待排序的记录,插入到前面已经排好序的有序序列中去,直到插完所有元素为止。 一个有序的数组,我们往里面添加一个新的数据后,如何继续保持数据有序呢?很简单,我们只要遍历数组,找到数据应该插入的位置将其插入即可。 ![]() 这是一个动态排序的过程,即动态地往有序集合中添加数据,我们可以通过这种方法保持集合中的数据一直有序。而对于一组静态数据,我们也可以借鉴上面讲的插入方法,来进行排序,于是就有了插入排序算法。 插入排序具体是如何借助上面的思想来实现排序的呢? ![]() 首先,我们将数组中的数据分为两个区间,已排序区间和未排序区间。初始已排序区间只有一个元素,就是数组的第一个元素。插入算法的核心思想是取未排序区间中的元素,在已排序区间中找到合适的插入位置将其插入,并保证已排序区间数据一直有序。重复这个过程,直到未排序区间中元素为空,算法结束。 要排序的数据是 4,5,6,1,3,2,其中左侧为已排序区间,右侧是未排序区间。 ![]() 插入排序也包含两种操作,一种是元素的比较,一种是元素的移动。 当我们需要将一个数据 a 插入到已排序区间时,需要拿 a 与已排序区间的元素依次比较大小,找到合适的插入位置。找到插入点之后,我们还需要将插入点之后的元素顺序往后移动一位,这样才能腾出位置给元素 a 插入。 代码语言:javascript复制// 插入排序,a表示数组,n表示数组大小 public void insertionSort(int[] a, int n) { if (n = 0; --j) { if (a[j] > value) { a[j+1] = a[j]; // 数据移动,将大于temp的往后移动一位 } else { break; } } a[j+1] = value; // 插入数据 } }插入排序和冒泡排序的时间复杂度相同,都是 O(n2),在实际的软件开发里,为什么我们更倾向于使用插入排序算法而不是冒泡排序算法呢? 冒泡排序的数据交换要比插入排序的数据移动要复杂,冒泡排序需要 3 个赋值操作,而插入排序只需要 1 个。我们来看这段操作:冒泡排序中数据的交换操作: 代码语言:javascript复制冒泡排序中数据的交换操作: if (a[j] > a[j+1]) { // 交换 int tmp = a[j]; a[j] = a[j+1]; a[j+1] = tmp; flag = true; } 插入排序中数据的移动操作: if (a[j] > value) { a[j+1] = a[j]; // 数据移动 } else { break; }我们把执行一个赋值语句的时间粗略地计为单位时间(unit_time),然后分别用冒泡排序和插入排序对同一个逆序度是 K 的数组进行排序。用冒泡排序,需要 K 次交换操作,每次需要 3 个赋值语句,所以交换操作总耗时就是 3* K 单位时间。而插入排序中数据移动操作只需要 K 个单位时间。 二分法插入排序二分法插入排序是在插入第i个元素时,对前面的0~i-1元素进行折半,先跟他们中间的那个元素比,如果小,则对前半再进行折半,否则对后半进行折半,直到left>right,然后以左下标为标准,左及左后边全部后移,然后左位置前插入该数据。 二分法没有排序,只有查找。所以当找到要插入的位置时。移动必须从最后一个记录开始,向后移动一位,再移动倒数第2位,直到要插入的位置的记录移后一位。 ![]() |
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