Java中的經典算法之冒泡排序


原理:比較兩個相鄰的元素,將值大的元素交換至右端。

思路:依次比較相鄰的兩個數,將小數放在前面,大數放在后面。即在第一趟:首先比較第1個和第2個數,將小數放前,大數放后。然后比較第2個數和第3個數,將小數放前,大數放后,如此繼續,直至比較最后兩個數,將小數放前,大數放后。重復第一趟步驟,直至全部排序完成。

舉例說明:要排序數組:int[] arr={6,3,8,2,9,1};   

第一趟排序:

    第一次排序:6和3比較,6大於3,交換位置:  3  6  8  2  9  1

    第二次排序:6和8比較,6小於8,不交換位置:3  6  8  2  9  1

    第三次排序:8和2比較,8大於2,交換位置:  3  6  2  8  9  1

    第四次排序:8和9比較,8小於9,不交換位置:3  6  2  8  9  1

    第五次排序:9和1比較:9大於1,交換位置:  3  6  2  8  1  9

    第一趟總共進行了5次比較, 排序結果:      3  6  2  8  1  9

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第二趟排序:

    第一次排序:3和6比較,3小於6,不交換位置:3  6  2  8  1  9

    第二次排序:6和2比較,6大於2,交換位置:  3  2  6  8  1  9

    第三次排序:6和8比較,6大於8,不交換位置:3  2  6  8  1  9

    第四次排序:8和1比較,8大於1,交換位置:  3  2  6  1  8  9

    第二趟總共進行了4次比較, 排序結果:      3  2  6  1  8  9

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第三趟排序:

    第一次排序:3和2比較,3大於2,交換位置:  2  3  6  1  8  9

    第二次排序:3和6比較,3小於6,不交換位置:2  3  6  1  8  9

    第三次排序:6和1比較,6大於1,交換位置:  2  3  1  6  8  9

    第二趟總共進行了3次比較, 排序結果:         2  3  1  6  8  9

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第四趟排序:

    第一次排序:2和3比較,2小於3,不交換位置:2  3  1  6  8  9

    第二次排序:3和1比較,3大於1,交換位置:  2  1  3  6  8  9

    第二趟總共進行了2次比較, 排序結果:        2  1  3  6  8  9

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第五趟排序:

    第一次排序:2和1比較,2大於1,交換位置:  1  2  3  6  8  9

    第二趟總共進行了1次比較, 排序結果:  1  2  3  6  8  9

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最終結果:1  2  3  6  8  9

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由此可見:N個數字要排序完成,總共進行N-1趟排序,每i趟的排序次數為(N-i)次,所以可以用雙重循環語句,外層控制循環多少趟,內層控制每一趟的循環次數,即

復制代碼
for(int i=1;i<arr.length;i++){

    for(int j=1;j<arr.length-i;j++){

    //交換位置

}    
復制代碼

冒泡排序的優點:每進行一趟排序,就會少比較一次,因為每進行一趟排序都會找出一個較大值。如上例:第一趟比較之后,排在最后的一個數一定是最大的一個數,第二趟排序的時候,只需要比較除了最后一個數以外的其他的數,同樣也能找出一個最大的數排在參與第二趟比較的數后面,第三趟比較的時候,只需要比較除了最后兩個數以外的其他的數,以此類推……也就是說,沒進行一趟比較,每一趟少比較一次,一定程度上減少了算法的量。

用時間復雜度來說:

  1.如果我們的數據正序,只需要走一趟即可完成排序。所需的比較次數C和記錄移動次數M均達到最小值,即:Cmin=n-1;Mmin=0;所以,冒泡排序最好的時間復雜度為O(n)。

  2.如果很不幸我們的數據是反序的,則需要進行n-1趟排序。每趟排序要進行n-i次比較(1≤i≤n-1),且每次比較都必須移動記錄三次來達到交換記錄位置。在這種情況下,比較和移動次數均達到最大值:冒泡排序的最壞時間復雜度為:O(n2) 。

綜上所述:冒泡排序總的平均時間復雜度為:O(n2) 。

代碼實現:

 

復制代碼
/*
 * 冒泡排序
 */
public class BubbleSort {
  public static void main(String[] args) {
    int[] arr={6,3,8,2,9,1};
    System.out.println("排序前數組為:");
    for(int num:arr){
      System.out.print(num+" ");
    }
    for(int i=0;i<arr.length-1;i++){//外層循環控制排序趟數
      for(int j=0;j<arr.length-1-i;j++){//內層循環控制每一趟排序多少次
        if(arr[j]>arr[j+1]){
          int temp=arr[j];
          arr[j]=arr[j+1];
          arr[j+1]=temp;
        }
      }
    } 
    System.out.println();
    System.out.println("排序后的數組為:");
     for(int num:arr){
       System.out.print(num+" ");
     } 
  }
 }

圖解排序算法(一)之3種簡單排序(選擇,冒泡,直接插入)

 

  排序是數據處理中十分常見且核心的操作,雖說實際項目開發中很小幾率會需要我們手動實現,畢竟每種語言的類庫中都有n多種關於排序算法的實現。但是了解這些精妙的思想對我們還是大有裨益的。本文簡單溫習下最基礎的三類算法:選擇,冒泡,插入。

  先定義個交換數組元素的函數,供排序時調用

復制代碼
   /**
     * 交換數組元素
     * @param arr
     * @param a
     * @param b
     */
    public static void swap(int []arr,int a,int b){
        arr[a] = arr[a]+arr[b];
        arr[b] = arr[a]-arr[b];
        arr[a] = arr[a]-arr[b];
    }
復制代碼

簡單選擇排序

  簡單選擇排序是最簡單直觀的一種算法,基本思想為每一趟從待排序的數據元素中選擇最小(或最大)的一個元素作為首元素,直到所有元素排完為止,簡單選擇排序是不穩定排序。

  在算法實現時,每一趟確定最小元素的時候會通過不斷地比較交換來使得首位置為當前最小,交換是個比較耗時的操作。其實我們很容易發現,在還未完全確定當前最小元素之前,這些交換都是無意義的。我們可以通過設置一個變量min,每一次比較僅存儲較小元素的數組下標,當輪循環結束之后,那這個變量存儲的就是當前最小元素的下標,此時再執行交換操作即可。代碼實現很簡單,一起來看下。

  代碼實現

復制代碼
    /**
     * 簡單選擇排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void selectSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            int min = i;//每一趟循環比較時,min用於存放較小元素的數組下標,這樣當前批次比較完畢最終存放的就是此趟內最小的元素的下標,避免每次遇到較小元素都要進行交換。
            for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
                if (arr[j] < arr[min]) {
                    min = j;
                }
            }
            //進行交換,如果min發生變化,則進行交換
            if (min != i) {
                swap(arr,min,i);
            }
        }
    } 
復制代碼

  簡單選擇排序通過上面優化之后,無論數組原始排列如何,比較次數是不變的;對於交換操作,在最好情況下也就是數組完全有序的時候,無需任何交換移動,在最差情況下,也就是數組倒序的時候,交換次數為n-1次。綜合下來,時間復雜度為O(n2)

冒泡排序 

  冒泡排序的基本思想是,對相鄰的元素進行兩兩比較,順序相反則進行交換,這樣,每一趟會將最小或最大的元素“浮”到頂端,最終達到完全有序

  

  代碼實現

    在冒泡排序的過程中,如果某一趟執行完畢,沒有做任何一次交換操作,比如數組[5,4,1,2,3],執行了兩次冒泡,也就是兩次外循環之后,分別將5和4調整到最終位置[1,2,3,4,5]。此時,再執行第三次循環后,一次交換都沒有做,這就說明剩下的序列已經是有序的,排序操作也就可以完成了,來看下代碼 

復制代碼
 /**
     * 冒泡排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void bubbleSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            boolean flag = true;//設定一個標記,若為true,則表示此次循環沒有進行交換,也就是待排序列已經有序,排序已然完成。
            for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    swap(arr,j,j+1);
                    flag = false;
                }
            }
            if (flag) {
                break;
            }
        }
    }
復制代碼

  根據上面這種冒泡實現,若原數組本身就是有序的(這是最好情況),僅需n-1次比較就可完成;若是倒序,比較次數為 n-1+n-2+...+1=n(n-1)/2,交換次數和比較次數等值。所以,其時間復雜度依然為O(n2)。綜合來看,冒泡排序性能還還是稍差於上面那種選擇排序的。

直接插入排序

  直接插入排序基本思想是每一步將一個待排序的記錄,插入到前面已經排好序的有序序列中去,直到插完所有元素為止。

   

代碼實現 

復制代碼
    /**
     * 插入排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void insertionSort(int[] arr) {
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            int j = i;
            while (j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]) {
                swap(arr,j,j-1);
                j--;
            }
        }
    }
復制代碼

  簡單插入排序在最好情況下,需要比較n-1次,無需交換元素,時間復雜度為O(n);在最壞情況下,時間復雜度依然為O(n2)。但是在數組元素隨機排列的情況下,插入排序還是要優於上面兩種排序的。

總結

  本文列舉了排序算法中最基本的三種算法(簡單選擇,冒泡,插入),這三種排序算法的時間復雜度均為O(n2),后續會陸續更新其他更高階一些的排序算法,時間復雜度也會逐步突破O(n2),謝謝支持。


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