八大排序算法详解——冒泡排序

基本思想

将被排序的记录数组R[0..n-1]垂直排列，每个记录R[i]看作是重量为R[i].key的气泡。根据轻气泡不能在重气泡之下的原则，从下往上扫描数组R：凡扫描到违反本原则的轻气泡，就使其 向上”飘浮”。如此反复进行，直到最后任何两个气泡都是轻者在上，重者在下为止。

具体过程，如下所示：

初始状态：R[0..n-1]为无序区。

第一趟扫描：从无序区底部向上依次比较相邻的两个气泡的重量，若发现轻者在下、重者 在上，则交换二者的位置，即依次比较(R[n-1], R[n-2])、(R[n-2], R[n-3])、…、(R[1], R[0])；对于每对气泡(R[j+1], R[j])，若R[j+1].key第一趟扫描完毕时，”最轻”的气泡就飘浮到该区间的顶部，即关键字最小的记录被放在最高位置R[0]上。

第二趟扫描：扫描R[1..n-1]。扫描完毕时，”次轻”的气泡飘浮到R[1]的位置上……最后，经过n-1趟扫描可得到有序区R[0..n-1]。

注意：

第i趟扫描时，R[0..i-1]和R[i..n-1]分别为当前的有序区和无序区。扫描仍是从无序区底 部向上直至该区顶部。扫描完毕时，该区中最轻气泡飘浮到顶部位置R[i]上，结果是R[0..i]变为新的有序区。

算法实现

冒泡排序算法，Java实现，代码如下所示：

public abstract class Sorter {
public abstract void sort(int[] array);
}

public class BubbleSorter extends Sorter {

@Override
public void sort(int[] array) {
int tmp; // 用于交换数据的暂存单元
for (int i = array.length - 1; i >= 0; i--) { // 将数组最小索引一端视为“水面”
// 将数组最小索引一端视为“水底”，“气泡”从“水底”向“水面”上浮
// 因为i每增加1，就有一个上浮到最终排序位置，所以，只需要对1~i个元素进行交换排序
for (int j = 1; j <= i; j++) {
if (array[j - 1] < array[j]) { // 如果上浮过程中发现存在比当前元素小的，就交换，将小的交换到“水面”
tmp = array[j - 1];
array[j - 1] = array[j];
array[j] = tmp;
}
}
}
}
}

排序过程

冒泡排序的执行过程如下：

首先，将待排序数组视为一个无序区。

从数组一端开始，让元素小的逐步移动到另一端，称为气泡的上浮过程，直到整个数组变成一个有序区。

下面，我们通过例子还说明排序过程。假设待排序数组为array = {94,12,34,76,26,9,0,37,55,76,37,5,68,83,90,37,12,65,76,49}，数组大小为20。

将数组最小索引一端视为“水底”，排序过程如下所示：

01	{94,34,76,26,12,9,37,55,76,37,5,68,83,90,37,12,65,76,49, 0}

02	{94,76,34,26,12,37,55,76,37,9,68,83,90,37,12,65,76,49, 5,0}

03	{94,76,34,26,37,55,76,37,12,68,83,90,37,12,65,76,49, 9,5,0}

04	{94,76,34,37,55,76,37,26,68,83,90,37,12,65,76,49, 12,9,5,0}

05	{94,76,37,55,76,37,34,68,83,90,37,26,65,76,49, 12,12,9,5,0}

06	{94,76,55,76,37,37,68,83,90,37,34,65,76,49, 26,12,12,9,5,0}

07	{94,76,76,55,37,68,83,90,37,37,65,76,49, 34,26,12,12,9,5,0}

08	{94,76,76,55,68,83,90,37,37,65,76,49, 37,34,26,12,12,9,5,0}

09	{94,76,76,68,83,90,55,37,65,76,49, 37,37,34,26,12,12,9,5,0}

10	{94,76,76,83,90,68,55,65,76,49, 37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

11	{94,76,83,90,76,68,65,76,55, 49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

12	{94,83,90,76,76,68,76,65, 55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

13	{94,90,83,76,76,76,68, 65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

14	{94,90,83,76,76,76, 68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

15	{94,90,83,76,76, 76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

16	{94,90,83,76, 76,76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

17	{94,90,83, 76,76,76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

18	{94,90, 83,76,76,76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

19	{94, 90,83,76,76,76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

20	{ 94,90,83,76,76,76,68,65,55,49,37,37,37,34,26,12,12,9,5,0}

上图是冒泡排序过程中执行各趟排序，整个数组中元素的位置信息：左上半部分是无序区，右下半部分是有序区。

算法分析

时间复杂度

最好情况：有序

数组元素需要两两比较，一趟排序完成。

比较次数：n-1

交换次数：0

最坏情况：逆序

需要进行n-1趟排序。

有序区数组大小为0时：比较n-1次，交换n-1次，移动3(n-1)次；

有序区数组大小为1时：比较n-2次，交换n-2次，移动3(n-2)次；

……

有序区数组大小为n-3时：比较2次，交换2次，移动3*2次；

有序区数组大小为n-2时：比较1次，交换1次，移动3*1次；

比较次数为：1+2+……+(n-1) = n(n-1)/2

移动次数为：3(1+2+……+(n-1)) = 3n(n-1)/2

综上，冒泡排序的时间复杂度为O(n2)。

空间复杂度

冒泡排序属于交换排序，在排序过程中，只需要用到一个用来执行元素交换的变量即可。因此，空间复杂度为O(1)。

排序稳定性

冒泡排序是就地排序。

冒泡排序是稳定的。

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