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C语言深入探究冒泡排序与堆排序使用案例讲解

2024-04-02 19:55

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一.冒泡排序

1.1冒泡排序引入

对于任何编程语言，当我们学到循环和数组的时候，都会介绍一种排序算法：冒泡排序；深入学习更多排序算法后和在实际使用情况中，冒泡排序的使用还是极少的。它适合数据规模很小的时候，而且它的效率也比较低，但是作为入门的排序算法，还是值得学习的。

1.2冒泡排序的核心思想与算法分析

核心思想：相邻的元素两两比较，较大的数下沉，较小的数冒起来，这样一趟比较下来，最大(小)值就会排列在一端。

因为较大的数会下沉，所以我们也可以将冒泡排序称作沉石排序。

算法分析：

比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换他们两个；
每趟从第一对相邻元素开始，对每一对相邻元素作同样的工作，直到最后一对；
针对所有的元素重复以上的步骤，除了已排序过的元素(每趟排序后的最后一个元素)，直到没有任何一对数字需要比较。

1.3实例说明

以3，2，5，6，1，11为例子，排序过程：

底部画线的为已确定的数据
有n个数据，需要跑n-1趟即可

1.4优化

上面的排序过程在第四趟处理完时，就已经完全有序了（肉眼观察的），理应直接退出循环即可，第五趟顺序完全可以省略，那么我们就会有一个问题：

怎样判断数据完全有序？

从先到后遍历一遍，发现数据两两比较都是前面小于后面（没有交换操作），这个时候，就可以判定数据已经完全有序。

1.5代码实现

void BubbleSort(int* arr, int len)
{
	int count = 0;
	bool tag = true;//标记  首先赋初值为真
	//从头到尾遍历一般，没有交换操作，则可以认定完全有序
	//反过来说：只要有一次交换操作，则不能认定完全有序
	for (int i = 0; i < len - 1; i++)//需要多少趟
	{
		tag = true;//注意：不要忘，每一趟开始的时候，记得将tag重新置为true
		for (int j = 0; j + 1 < len - i; j++)//控制两两比较   j指向两两比较的开始位置
		{
			if (arr[j] > arr[j + 1])
			{
				int tmp = arr[j];
				arr[j] = arr[j + 1];
				arr[j + 1] = tmp;
				tag = false;
			}
		}
		count++;
		if (tag)//如果一趟跑完之后，发现tag没有变，还是真，则代表没有前面大于后面的情况发生，则已经完全有序
		{
			break;
		}
	}
	printf("%d\n", count);
}

1.6性能分析

时间复杂度：o（n^2）；
空间复杂度：o（1）；
稳定性：稳定

二.堆排序

2.1堆的基础知识

2.1.1堆是什么

堆是一种数据结构，一种叫做完全二叉树的数据结构。

2.1.2堆的性质

这里我们用到两种堆，其实也算是一种。

大顶堆：每个节点的值都大于或者等于它的左右子节点的值。

小顶堆：每个节点的值都小于或者等于它的左右子节点的值。

查找数组中某个数的父结点和左右孩子结点，比如已知索引为i的数，那么

1.父结点索引：(i-1)/2（这里计算机中的除以2，省略掉小数）

2.左孩子索引：2*i+1

3.右孩子索引：2*i+2

如下图所示：

两种堆就是如上图所示。

如果我们把这种逻辑结构映射到数组中，如下所示：

大顶堆：

小顶堆：

从这里我们可以得出以下性质：

对于大顶堆：arr[i] >= arr[2i + 1] && arr[i] >= arr[2i + 2]

对于小顶堆：arr[i] <= arr[2i + 1] && arr[i] <= arr[2i + 2]

2.2堆排序的核心思想与基本步骤

核心思想：将无序数组构造成一个大顶堆，固定一个最大值，将剩余的数重新构造成一个大顶堆，重复这样的过程构造堆。

基本步骤：

将带排序的序列构造成一个大顶堆，根据大顶堆的性质，当前堆的根节点（堆顶）就是序列中最大的元素；
将堆顶元素和最后一个元素交换，然后将剩下的节点重新构造成一个大顶堆；
重复步骤2，如此反复，从第一次构建大顶堆开始，每一次构建，我们都能获得一个序列的最大值，然后把它放到大顶堆的尾部；
最后，就得到一个有序的序列了。

2.3实例说明与分析

以4，5，8，2，3，9，7，1为例，按照上面的基本步骤进行排序，过程如下：

1.将无序序列构造为一个大顶堆

2.现在我们需要找到最后一个非叶子节点的位置，也就是索引值。

对于一个完全二叉树，在填满的情况下，每一层的元素个数是上一层的二倍，根节点数量是1，所以最后一层的节点数量，一定是之前所有层节点总数+1，所以，我们能找到最后一层的第一个节点的索引，即节点总数/2（根节点索引为0），这也就是第一个叶子节点，所以第一个非叶子节点的索引就是第一个叶子结点的索引-1。

那么对于填不满的二叉树呢？这个计算方式仍然适用，当我们从上往下，从左往右填充二叉树的过程中，第一个叶子节点，一定是序列长度/2，所以第一个非叶子节点的索引就是（数组长度/ 2 -1）。

现在找到了最后一个非叶子节点，即元素值为2的节点，比较它的左右节点的值，是否比他大，如果大就换位置。这里因为1<2，所以，不需要任何操作，继续比较下一个，即元素值为8的节点，它的左节点值为9比它本身大，所以交换。

3.因为元素8没有子节点，所以继续比较下一个非叶子节点，元素值为5的节点，它的两个子节点值都比本身小，不需要调整；然后是元素值为4的节点，也就是根节点，因为9>4，所以需要调整位置

4.原来元素值为9的节点值变成4了，而且它本身有两个子节点，所以，这时需要再次调整该节点

5.排序序列，将堆顶的元素值和尾部的元素交换

6.将剩余的元素重新构建大顶堆，其实就是调整根节点以及其调整后影响的子节点，因为其他节点之前已经满足大顶堆性质

7.继续交换，堆顶节点元素值为8与当前尾部节点元素值为1的进行交换

8.重新构建大顶堆

9.重复交换

10.重新构建大顶堆

11.重复交换

12.重新构建大顶堆

13.重复交换

14.重新构建大顶堆

15.重复交换

16.重新构建大顶堆

17.重复交换

18.重新构建大顶堆

19.继续交换

这里我么就交换结束了得到了最后的结果。

2.4代码实现

void HeapAdjust(int arr[], int start, int end)
{
	//assert
	int tmp = arr[start];
	for (int i = start * 2 + 1; i <= end; i = start * 2 + 1)//start*2+1 相当于是start这个节点的左孩子
	{                     //i<end  退出for循环  触发的是情况1
		if (i<end && arr[i + 1] > arr[i])//i<end 代表存在右孩子，且右孩子的值还大于左孩子
		{
			i++;//则此时，让i指向右孩子
		}
		//此时i肯定已经指向较大的那个孩子
		if (arr[i] > tmp)//子大于父
		{
			arr[start] = arr[i];
			start = i;
		}
		else
		{
			break;//退出for循环，触发情况2
		}
	}
	arr[start] = tmp;
}
void HeapSort(int* arr, int len)
{
	//1.整体从最后一个非叶子节点开始由内到外调整一次
	//首先需要知道最后一个非叶子节点的下标
	for (int i = (len - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)//因为最后一个非叶子节点肯定是 最后一个叶子节点的父节点
	{
		HeapAdjust(arr, i, len - 1);//调用我们一次调整函数  //这里第三个值比较特殊，没有规律可言，则直接给最大值len-1
	}
	//此时，已经调整为大顶堆了
	//接下来，根节点的值和当前最后一个节点的值进行交换，然后将尾结点剔除掉
	for (int i = 0; i < len - 1; i++)
	{
		int tmp = arr[0];
		arr[0] = arr[len - 1 - i];//len-1-i 是我们当前的尾结点下标
		arr[len - 1 - i] = tmp;
		HeapAdjust(arr, 0, (len - 1 - i) - 1);//len-1-i 是我们当前的尾结点下标，然后再给其-1则相当于将其剔除出我们的循环
	}
}