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几种排序法
[转]C语言几种排序法比较
2009-05-2410:
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C|标签:
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排序算法是一种基本并且常用的算法。
由于实际工作中处理的数量巨大,所以排序算法对算法本身的速度要求很高。
而一般我们所谓的算法的性能主要是指算法的复杂度,一般用O方法来表示。
在后面我将给出详细的说明。
对于排序的算法我想先做一点简单的介绍,也是给这篇文章理一个提纲。
我将按照算法的复杂度,从简单到难来分析算法。
第一部分是简单排序算法,后面你将看到他们的共同点是算法复杂度为O(N*N)(因为没有使用word,所以无法打出上标和下标)。
第二部分是高级排序算法,复杂度为O(Log2(N))。
这里我们只介绍一种算法。
另外还有几种算法因为涉及树与堆的概念,所以这里不于讨论。
第三部分类似动脑筋。
这里的两种算法并不是最好的(甚至有最慢的),但是算法本身比较奇特,值得参考(编程的角度)。
同时也可以让我们从另外的角度来认识这个问题。
现在,让我们开始吧:
一、简单排序算法
由于程序比较简单,所以没有加什么注释。
所有的程序都给出了完整的运行代码,并在我的VC环境
下运行通过。
因为没有涉及MFC和WINDOWS的内容,所以在BORLANDC++的平台上应该也不会有什么
问题的。
在代码的后面给出了运行过程示意,希望对理解有帮助。
1.冒泡法:
这是最原始,也是众所周知的最慢的算法了。
他的名字的由来因为它的工作看来象是冒泡:
#include
voidBubbleSort(int*pData,intCount)
{
intiTemp;
for(inti=1;i { for(intj=Count-1;j>=i;j--) { if(pData[j] { iTemp=pData[j-1]; pData[j-1]=pData[j]; pData[j]=iTemp; } } } } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; BubbleSort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 倒序(最糟情况) 第一轮: 10,9,8,7->10,9,7,8->10,7,9,8->7,10,9,8(交换3次) 第二轮: 7,10,9,8->7,10,8,9->7,8,10,9(交换2次) 第一轮: 7,8,10,9->7,8,9,10(交换1次) 循环次数: 6次 交换次数: 6次 其他: 第一轮: 8,10,7,9->8,10,7,9->8,7,10,9->7,8,10,9(交换2次) 第二轮: 7,8,10,9->7,8,10,9->7,8,10,9(交换0次) 第一轮: 7,8,10,9->7,8,9,10(交换1次) 循环次数: 6次 交换次数: 3次 上面我们给出了程序段,现在我们分析它: 这里,影响我们算法性能的主要部分是循环和交换,显然,次数越多,性能就越差。 从上面的程序我们可以看出循环的次数是固定的,为1+2+...+n-1。 写成公式就是1/2*(n-1)*n。 现在注意,我们给出O方法的定义: 若存在一常量K和起点n0,使当n>=n0时,有f(n)<=K*g(n),则f(n)=O(g(n))。 (呵呵,不要说没学好数学呀,对于编程数学是非常重要的! ! ! ) 现在我们来看1/2*(n-1)*n,当K=1/2,n0=1,g(n)=n*n时,1/2*(n-1)*n<=1/2*n*n=K*g(n)。 所以f(n)=O(g(n))=O(n*n)。 所以我们程序循环的复杂度为O(n*n)。 再看交换。 从程序后面所跟的表可以看到,两种情况的循环相同,交换不同。 其实交换本身同数据源的有序程度有极大的关系,当数据处于倒序的情况时,交换次数同循环一样(每次循环判断都会交换),复杂度为O(n*n)。 当数据为正序,将不会有交换。 复杂度为O(0)。 乱序时处于中间状态。 正是由于这样的原因,我们通常都是通过循环次数来对比算法。 2.交换法: 交换法的程序最清晰简单,每次用当前的元素一一的同其后的元素比较并交换。 #include voidExchangeSort(int*pData,intCount) { intiTemp; for(inti=0;i { for(intj=i+1;j { if(pData[j] { iTemp=pData[i]; pData[i]=pData[j]; pData[j]=iTemp; } } } } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; ExchangeSort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 倒序(最糟情况) 第一轮: 10,9,8,7->9,10,8,7->8,10,9,7->7,10,9,8(交换3次) 第二轮: 7,10,9,8->7,9,10,8->7,8,10,9(交换2次) 第一轮: 7,8,10,9->7,8,9,10(交换1次) 循环次数: 6次 交换次数: 6次 其他: 第一轮: 8,10,7,9->8,10,7,9->7,10,8,9->7,10,8,9(交换1次) 第二轮: 7,10,8,9->7,8,10,9->7,8,10,9(交换1次) 第一轮: 7,8,10,9->7,8,9,10(交换1次) 循环次数: 6次 交换次数: 3次 从运行的表格来看,交换几乎和冒泡一样糟。 事实确实如此。 循环次数和冒泡一样也是1/2*(n-1)*n,所以算法的复杂度仍然是O(n*n)。 由于我们无法给出所有的情况,所以只能直接告诉大家他们在交换上面也是一样的糟糕(在某些情况下稍好,在某些情况下稍差)。 3.选择法: 现在我们终于可以看到一点希望: 选择法,这种方法提高了一点性能(某些情况下)这种方法类似我们人为的排序习惯: 从数据中选择最小的同第一个值交换,在从省下的部分中选择最小的与第二个交换,这样往复下去。 #include voidSelectSort(int*pData,intCount) { intiTemp; intiPos; for(inti=0;i { iTemp=pData[i]; iPos=i; for(intj=i+1;j { if(pData[j] { iTemp=pData[j]; iPos=j; } } pData[iPos]=pData[i]; pData[i]=iTemp; } } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; SelectSort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 倒序(最糟情况) 第一轮: 10,9,8,7->(iTemp=9)10,9,8,7->(iTemp=8)10,9,8,7->(iTemp=7)7,9,8,10(交换1次) 第二轮: 7,9,8,10->7,9,8,10(iTemp=8)->(iTemp=8)7,8,9,10(交换1次) 第一轮: 7,8,9,10->(iTemp=9)7,8,9,10(交换0次) 循环次数: 6次 交换次数: 2次 其他: 第一轮: 8,10,7,9->(iTemp=8)8,10,7,9->(iTemp=7)8,10,7,9->(iTemp=7)7,10,8,9(交换1次) 第二轮: 7,10,8,9->(iTemp=8)7,10,8,9->(iTemp=8)7,8,10,9(交换1次) 第一轮: 7,8,10,9->(iTemp=9)7,8,9,10(交换1次) 循环次数: 6次 交换次数: 3次 遗憾的是算法需要的循环次数依然是1/2*(n-1)*n。 所以算法复杂度为O(n*n)。 我们来看他的交换。 由于每次外层循环只产生一次交换(只有一个最小值)。 所以f(n)<=n所以我们有f(n)=O(n)。 所以,在数据较乱的时候,可以减少一定的交换次数。 4.插入法: 插入法较为复杂,它的基本工作原理是抽出牌,在前面的牌中寻找相应的位置插入,然后继续下一张 #include voidInsertSort(int*pData,intCount) { intiTemp; intiPos; for(inti=1;i { iTemp=pData[i]; iPos=i-1; while((iPos>=0)&&(iTemp { pData[iPos+1]=pData[iPos]; iPos--; } pData[iPos+1]=iTemp; } } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; InsertSort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 倒序(最糟情况) 第一轮: 10,9,8,7->9,10,8,7(交换1次)(循环1次) 第二轮: 9,10,8,7->8,9,10,7(交换1次)(循环2次) 第一轮: 8,9,10,7->7,8,9,10(交换1次)(循环3次) 循环次数: 6次 交换次数: 3次 其他: 第一轮: 8,10,7,9->8,10,7,9(交换0次)(循环1次) 第二轮: 8,10,7,9->7,8,10,9(交换1次)(循环2次) 第一轮: 7,8,10,9->7,8,9,10(交换1次)(循环1次) 循环次数: 4次 交换次数: 2次 上面结尾的行为分析事实上造成了一种假象,让我们认为这种算法是简单算法中最好的,其实不是,因为其循环次数虽然并不固定,我们仍可以使用O方法。 从上面的结果可以看出,循环的次数f(n)<=1/2*n*(n-1)<=1/2*n*n。 所以其复杂度仍为O(n*n)(这里说明一下,其实如果不是为了展示这些简单排序的不同,交换次数仍然可以这样推导)。 现在看交换,从外观上看,交换次数是O(n)(推导类似选择法),但我们每次要进行与内层循环相同次数的‘=’操作。 正常的一次交换我们需要三次‘=’而这里显然多了一些,所以我们浪费了时间。 最终,我个人认为,在简单排序算法中,选择法是最好的。 二、高级排序算法: 高级排序算法中我们将只介绍这一种,同时也是目前我所知道(我看过的资料中)的最快的。 它的工作看起来仍然象一个二叉树。 首先我们选择一个中间值middle程序中我们使用数组中间值,然后把比它小的放在左边,大的放在右边(具体的实现是从两边找,找到一对后交换)。 然后对两边分别使用这个过程(最容易的方法——递归)。 1.快速排序: #include voidrun(int*pData,intleft,intright) { inti,j; intmiddle,iTemp; i=left; j=right; middle=pData[(left+right)/2];//求中间值 do{ while((pData[i] i++; while((pData[j]>middle)&&(j>left))//从右扫描大于中值的数 j--; if(i<=j)//找到了一对值 { //交换 iTemp=pData[i]; pData[i]=pData[j]; pData[j]=iTemp; i++; j--; } }while(i<=j);//如果两边扫描的下标交错,就停止(完成一次) //当左边部分有值(left if(left run(pData,left,j); //当右边部分有值(right>i),递归右半边 if(right>i) run(pData,i,right); } voidQuickSort(int*pData,intCount) { run(pData,0,Count-1); } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; QuickSort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 这里我没有给出行为的分析,因为这个很简单,我们直接来分析算法: 首先我们考虑最理想的情况 1.数组的大小是2的幂,这样分下去始终可以被2整除。 假设为2的k次方,即k=log2(n)。 2.每次我们选择的值刚好是中间值,这样,数组才可以被等分。 第一层递归,循环n次,第二层循环2*(n/2)...... 所以共有n+2(n/2)+4(n/4)+...+n*(n/n)=n+n+n+...+n=k*n=log2(n)*n 所以算法复杂度为O(log2(n)*n) 其他的情况只会比这种情况差,最差的情况是每次选择到的middle都是最小值或最大值,那么他将变成交换法(由于使用了递归,情况更糟)。 但是你认为这种情况发生的几率有多大? ? 呵呵,你完全不必担心这个问题。 实践证明,大多数的情况,快速排序总是最好的。 如果你担心这个问题,你可以使用堆排序,这是一种稳定的O(log2(n)*n)算法,但是通常情况下速度要慢于快速排序(因为要重组堆)。 三、其他排序 1.双向冒泡: 通常的冒泡是单向的,而这里是双向的,也就是说还要进行反向的工作。 代码看起来复杂,仔细理一下就明白了,是一个来回震荡的方式。 写这段代码的作者认为这样可以在冒泡的基础上减少一些交换(我不这么认为,也许我错了)。 反正我认为这是一段有趣的代码,值得一看。 #include voidBubble2Sort(int*pData,intCount) { intiTemp; intleft=1; intright=Count-1; intt; do{ //正向的部分 for(inti=right;i>=left;i--) { if(pData[i] { iTemp=pData[i]; pData[i]=pData[i-1]; pData[i-1]=iTemp; t=i; } } left=t+1; //反向的部分 for(i=left;i { if(pData[i] { iTemp=pData[i]; pData[i]=pData[i-1]; pData[i-1]=iTemp; t=i; } } right=t-1; }while(left<=right); } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4}; Bubble2Sort(data,7); for(inti=0;i<7;i++) cout< cout<<"\n"; } 2.SHELL排序 这个排序非常复杂,看了程序就知道了。 首先需要一个递减的步长,这里我们使用的是9、5、3、1(最后的步长必须是1)。 工作原理是首先对相隔9-1个元素的所有内容排序,然后再使用同样的方法对相隔5-1个元素的排序,以次类推。 #include voidShellSort(int*pData,intCount) { intstep[4]; step[0]=9; step[1]=5; step[2]=3; step[3]=1; inti,Temp; intk,s,w; for(inti=0;i<4;i++) { k=step[i]; s=-k; for(intj=k;j { iTemp=pData[j]; w=j-k;//求上step个元素的下标 if(s==0) { s=-k; s++; pData[s]=iTemp; } while((iTemp { pData[w+k]=pData[w]; w=w-k; } pData[w+k]=iTemp; } } } voidmain() { intdata[]={10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,-10,-1}; ShellSort(data,12); for(inti=0;i<12;i++) cout< cout<<"\n"; } 呵呵,程序看起来有些头疼。 不过也不是很难,把s==0的块去掉就轻松多了,这里是避免使用0步长造成程序异常而写的代码。 这个代码我认为很值得一看。 这个算法的得名是因为其发明者的名字D.L.SHELL。 依照参考资料上的说法: “由于复杂的数学原因避免使用2的幂次步长,它能降低算法效率。 ”另外算法的复杂度为n的1.2次幂。 同样因为非常复杂并“我也不知道过程",我们只有结果了 #include #include #include #include #include structStu { charNum[10];//学号 charName[10];//姓名 charSex;//性别 charGread;//班级 doubleChinese;//语文成绩 doubleMath;//数学成绩 doubleEnglish;//英语成绩 doubleAll;//总分 }student[100]; //函数声明 voidStart();//启动函数 voidMenu();// voidPrint();//输出函数 voidAdd();//添加函数 voidChange();//修改函数 voidDelete();//删除函数 voidDeleall();//清空函数 voidSearch();//查找菜单 voidSearch_0();//查找指定姓名学号函数 voidSearch_1();//按班级查找 voidSearch_2();//按性别查找 voidSort();//排序菜单 voidSort_0();//按总分排序函数 voidSort_1();//按学号排序 voidSort_2();//按姓名排序 voidTotal();//统计菜单 voidTotal_0();//统计所有 voidTotal_1();//按班级统计 voidface_0()//启动页1. { inti,j; printf("正在启动系统请等待\n"); for(i=0;i<80;i++) { for(j=0;j<30000000;j++); printf(">"); } } voidface_1(intId,intPassword)//登陆页面2. { inti,j; printf("\n\n\t>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>欢迎进入学生成绩管理系统<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n"); printf("\tO(∩_∩)O~\n\n\t\t\t\t\n\n"); printf("\t\t*******\n"); printf("\t\t*****\n"); printf("\t\t<========*==*==<<<<<<\n"); printf("\t\t***\n"); printf("\t\t****\n"); printf("\t\t**\n\n"); printf("\t>>>>>>>>>请输入登陆信息(帐号: 123456,密码: 123456): <<<<<<<<<<\n\n"); do { printf("\t\t\t\t请输入帐号: "); scanf("%d",&Id); printf("\t\t\t\t请输入密码: "); scanf("%d",&Password); if(Id! =123456||Password! =123456) { printf("\t\t帐号不存在或密码错误,请重新输入! \n\n"); } }while(Id! =123456&&Password! =123456); printf("\n正在初始化系统请等待\n"); for(i=0;i<80;i++) { for(j=0;j<10000000;j++); printf(">"); } } voidface_2()//菜单页面 { printf("\t\n"); printf("\t║║║\n"); printf("\t║学生成绩管理系统║\n"); printf("\t║───────────────—║\n"); //printf("\t║\n"); printf("\t║1.查看所有学生信息║\n"); printf("\t║║\n"); printf("\t║2.添加学生成绩║\n"); printf("\t║║\n"); printf("\t║3.修改指定学生信息成绩║\n"); printf("\t║║\n"); printf("\t║4.删除指定学生成绩║\n"); printf("\t║║\n"); printf("\t║5.清空
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