排序算法(一) 简单排序(冒泡,选择,插入)

排序(Sort)是计算机程序设计中十分常见且重要的操作。是将一个数据元素的序列,重新排列成一个按关键字有序的序列。最近学习算法,从最基础的排序开始,记录一下。简单温习下最基础的三类算法:选择,冒泡,插入。

冒泡排序

冒泡排序(Bubble Sort)的基本思想是,对相邻的元素进行两两比较,顺序相反则进行交换,这样,每一趟会将最小或最大的元素“浮”到顶端,最终达到完全有序

冒泡排序示意图

在代码实现中,为了避免不必要的比较,可以设置标志位,如果某一趟执行完毕,没有做任何一次交换操作,则待排序列已经有序,排序已经完成。冒泡排序每一趟找到最大值,所以外层循环只需要到n-1即可(最后一个必然是最小的)。内层循环每次比较都是除去 数组最右边已经有序的部分。

// 冒泡排序swift
public func bubbleSort(array: inout [Int]) {
    let count = array.count
    for i in 0..<count-1 {
    /*设定一个标记,若为true,则表示此次循环没有
    进行交换,则待排序列已经有序,排序已然完成。*/
        var flag = true
        for j in 0..<count-1-i {
            if array[j] > array[j+1] {
                swap(&array[j], &array[j+1])
                flag = false
            }
        }
        if flag {
            break
        }
    }
}

时间复杂度:如果初始序列就是有序的(最好情况),仅需n-1次比较就可完成。如果初始序列是反序的,需要进行n-1趟排序。每趟排序要进行n-i次关键字的比较(1≤i≤n-1),且每次比较都必须移动记录来达到交换记录位置。在这种情况下,比较次数为 n-1+n-2+...+1=n(n-1)/2,因此冒泡排序时间复杂度为$ O(n^2) $。

选择排序

选择排序(Selection Sort)基本思想是:每一趟在n-i+1(i=1,2,...,n-1)个记录中选择选取最小的记录作为有序序列中第i个元素。

在代码实现中,可以通过变量记录每一趟的最小值,每一趟循环完毕之后,最后与位置i交换。代码比较简单明了,外层循环从0到n-1,内层循环假设位置i为最小值,所以比较直接从i+1的位置开始。

// 选择排序swift
public func selectionSort(array: inout [Int]) {
    let count = array.count
    for i in 0..<count-1 {
        // 选择出最小的数
        var minIndex = i
        for j in i+1..<count {
            if array[j] < array[minIndex] {
                minIndex = j
            }
        }
        //进行交换,如果minIndex发生变化,则进行交换
        if i != minIndex {
            swap(&array[i], &array[minIndex])
        }
    }
}

时间复杂度:
选择排序过程中,所需要进行记录移动的操作较少,但是,无论记录初始化排列如何,需要进行关键字的比较次数相同,均为n(n-1)/2,因此,选择排序的时间复杂度为$ O(n^2) $

直接插入排序

直接插入排序基本思想是将一个记录插入到已排好序的有序序列中,从而得到一个新的,记录数增1的序列。

直接插入排序示意图

算法代码实现,从示意图上,待插入元素不断与前面元素进行比较,交换位置,直到合适的位置。
其实每次交换是并不是必须的。可以用变量value 记录将待插入元素,需要交换元素的时候,不交换元素,而是将更大的元素向右移动一个位置,最后value赋值到正确位置即可,减少交换次数,代码如下。

// 插入排序swift
public func insertSort(array: inout [Int]) {
    let count = array.count
    for i in 1..<count {
        let value = array[i]
        var j = i
        while j > 0 && array[j-1] > value {
            array[j] = array[j-1]
            j -= 1
        }
        array[j] = value
    }
}

直接插入排序在最好情况下,需要比较n-1次,无需交换元素,时间复杂度为$ O(n) $;在最坏情况下,时间复杂度依然为$ O(n^2) $,但是总体来说插入排序比上面两种排序更优,主要原因大概有两点,插入排序与哦

总结

上面三种最基本的算法(选择,冒泡,插入),这三种排序算法的时间复杂度均为$ O(n^2) $。
其实排序算法已经有像快速排序,堆排序这种时间复杂度为 $ n\log(n) $的排序,还有必要学习简单排序算法么?当然有必要,学习简单排序的原因,简单排序算法比较基础,编码上比较简单,可以加深对排序算法的理解和了解。更重要的是高级复杂的排序也是从简单排序中演化出来的,而且简单排序在规模较小的时候,实际速度并不比快速排序慢。

后续会接着写更复杂一些的排序算法如堆排序,快速排序,都会在github上更新,希望关注,有问题可以指出。

参考

  • 数据结构与算法分析
  • 算法导论
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