详解冒泡排序
2018-01-08 00:00
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转自:静默虚空 http://www.cnblogs.com/jingmoxukong/p/4302718.html
要点
冒泡排序是一种交换排序。
什么是交换排序呢?
交换排序:两两比较待排序的关键字,并交换不满足次序要求的那对数,直到整个表都满足次序要求为止。
算法思想
它重复地走访过要排序的数列,一次比较两个元素,如果他们的顺序错误就把他们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。
这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端,故名。
假设有一个大小为 N 的无序序列。冒泡排序就是要每趟排序过程中通过两两比较,找到第 i 个小(大)的元素,将其往上排。
以上图为例,演示一下冒泡排序的实际流程:
假设有一个无序序列 { 4. 3. 1. 2, 5 }
第一趟排序:通过两两比较,找到第一小的数值 1 ,将其放在序列的第一位。
第二趟排序:通过两两比较,找到第二小的数值 2 ,将其放在序列的第二位。
第三趟排序:通过两两比较,找到第三小的数值 3 ,将其放在序列的第三位。
至此,所有元素已经有序,排序结束。
要将以上流程转化为代码,我们需要像机器一样去思考,不然编译器可看不懂。
假设要对一个大小为 N 的无序序列进行升序排序(即从小到大)。
(1) 每趟排序过程中需要通过比较找到第 i 个小的元素。
所以,我们需要一个外部循环,从数组首端(下标 0) 开始,一直扫描到倒数第二个元素(即下标 N - 2) ,剩下最后一个元素,必然为最大。
(2) 假设是第 i 趟排序,可知,前 i-1 个元素已经有序。现在要找第 i 个元素,只需从数组末端开始,扫描到第 i 个元素,将它们两两比较即可。
所以,需要一个内部循环,从数组末端开始(下标 N - 1),扫描到 (下标 i + 1)。
核心代码
public void bubbleSort(int[] list) { int temp = 0; // 用来交换的临时数 // 要遍历的次数 for (int i = 0; i < list.length - 1; i++) { // 从后向前依次的比较相邻两个数的大小,遍历一次后,把数组中第i小的数放在第i个位置上 for (int j = list.length - 1; j > i; j--) { // 比较相邻的元素,如果前面的数大于后面的数,则交换 if (list[j - 1] > list[j]) { temp = list[j - 1]; list[j - 1] = list[j]; list[j] = temp; } } System.out.format("第 %d 趟:\t", i); printAll(list); } }
冒泡排序算法的性能
时间复杂度
若文件的初始状态是正序的,一趟扫描即可完成排序。所需的关键字比较次数C和记录移动次数M均达到最小值:Cmin = N - 1, Mmin = 0。所以,冒泡排序最好时间复杂度为O(N)。
若初始文件是反序的,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三次来达到交换记录位置。在这种情况下,比较和移动次数均达到最大值:
Cmax = N(N-1)/2 = O(N2)
Mmax = 3N(N-1)/2 = O(N2)
冒泡排序的最坏时间复杂度为O(N2)。
因此,冒泡排序的平均时间复杂度为O(N2)。
总结起来,其实就是一句话:当数据越接近正序时,冒泡排序性能越好。
算法稳定性
冒泡排序就是把小的元素往前调或者把大的元素往后调。比较是相邻的两个元素比较,交换也发生在这两个元素之间。
所以相同元素的前后顺序并没有改变,所以冒泡排序是一种稳定排序算法。
优化
对冒泡排序常见的改进方法是加入标志性变量exchange,用于标志某一趟排序过程中是否有数据交换。
如果进行某一趟排序时并没有进行数据交换,则说明所有数据已经有序,可立即结束排序,避免不必要的比较过程。
核心代码
// 对 bubbleSort 的优化算法public void bubbleSort_2(int[] list) { int temp = 0; // 用来交换的临时数 boolean bChange = false; // 交换标志 // 要遍历的次数 for (int i = 0; i < list.length - 1; i++) { bChange = false; // 从后向前依次的比较相邻两个数的大小,遍历一次后,把数组中第i小的数放在第i个位置上 for (int j = list.length - 1; j > i; j--) { // 比较相邻的元素,如果前面的数大于后面的数,则交换 if (list[j - 1] > list[j]) { temp = list[j - 1]; list[j - 1] = list[j]; list[j] = temp; bChange = true; } } // 如果标志为false,说明本轮遍历没有交换,已经是有序数列,可以结束排序 if (false == bChange) break; System.out.format("第 %d 趟:\t", i); printAll(list); }}
完整参考代码
package notes.javase.algorithm.sort;import java.util.Random;public class BubbleSort { public void bubbleSort(int[] list) { int temp = 0; // 用来交换的临时数 // 要遍历的次数 for (int i = 0; i < list.length - 1; i++) { // 从后向前依次的比较相邻两个数的大小,遍历一次后,把数组中第i小的数放在第i个位置上 for (int j = list.length - 1; j > i; j--) { // 比较相邻的元素,如果前面的数大于后面的数,则交换 if (list[j - 1] > list[j]) { temp = list[j - 1]; list[j - 1] = list[j]; list[j] = temp; } } System.out.format("第 %d 趟:\t", i); printAll(list); } } // 对 bubbleSort 的优化算法 public void bubbleSort_2(int[] list) { int temp = 0; // 用来交换的临时数 boolean bChange = false; // 交换标志 // 要遍历的次数 for (int i = 0; i < list.length - 1; i++) { bChange = false; // 从后向前依次的比较相邻两个数的大小,遍历一次后,把数组中第i小的数放在第i个位置上 for (int j = list.length - 1; j > i; j--) { // 比较相邻的元素,如果前面的数大于后面的数,则交换 if (list[j - 1] > list[j]) { temp = list[j - 1]; list[j - 1] = list[j]; list[j] = temp; bChange = true; } } // 如果标志为false,说明本轮遍历没有交换,已经是有序数列,可以结束排序 if (false == bChange) break; System.out.format("第 %d 趟:\t", i); printAll(list); } } // 打印完整序列 public void printAll(int[] list) { for (int value : list) { System.out.print(value + "\t"); } System.out.println(); } public static void main(String[] args) { // 初始化一个随机序列 final int MAX_SIZE = 10; int[] array = new int[MAX_SIZE]; Random random = new Random(); for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++) { array[i] = random.nextInt(MAX_SIZE); } // 调用冒泡排序方法 BubbleSort bubble = new BubbleSort(); System.out.print("排序前:\t"); bubble.printAll(array); // bubble.bubbleSort(array); bubble.bubbleSort_2(array); System.out.print("排序后:\t"); bubble.printAll(array); }}
运行结果
参考资料
《数据结构习题与解析》(B级第3版)
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