C++与C语言的排序算法对比（插入，希尔，归并）

news2024/10/21 23:47:07

1. 引言

排序算法是计算机科学中的基础概念，广泛应用于数据处理和算法设计中。本文将通过插入排序、希尔排序、归并排序和选择排序这四种常见的排序算法，分别用C++和C语言实现，并对它们进行优劣对比，以帮助读者更好地理解这两种语言在实现算法时的差异。

2. 插入排序

插入排序是一种简单的排序算法，其基本思想是通过构建有序序列，将未排序的元素逐个插入到已排序的序列中。

C++实现

#include <iostream>
using namespace std;

void insertionSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        int key = arr[i];
        int j = i - 1;
        while (j >= 0 && arr[j] > key) {
            arr[j + 1] = arr[j];
            j--;
        }
        arr[j + 1] = key;
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 11, 13, 5, 6};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    insertionSort(arr, n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        cout << arr[i] << " ";
    return 0;
}

C实现

#include <stdio.h>

void insertionSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        int key = arr[i];
        int j = i - 1;
        while (j >= 0 && arr[j] > key) {
            arr[j + 1] = arr[j];
            j--;
        }
        arr[j + 1] = key;
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 11, 13, 5, 6};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    insertionSort(arr, n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        printf("%d ", arr[i]);
    return 0;
}

对比分析

语言特性：C++使用iostream库，提供了更高层次的输入输出方式（如cout），而C使用stdio.h库，依赖于printf函数。
可读性：C++代码看起来更简洁，而C语言的语法稍显繁琐。
性能：二者在时间复杂度上相同，均为O(n^2)，因此在性能上没有显著差异。

3. 希尔排序（动图点击）

希尔排序是插入排序的一种更高效的改进版本，通过对序列进行分组来提高效率。

C++实现

#include <iostream>
using namespace std;

void shellSort(int arr[], int n) {
    for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {
        for (int i = gap; i < n; i++) {
            int temp = arr[i];
            int j;
            for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap)
                arr[j] = arr[j - gap];
            arr[j] = temp;
        }
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 34, 54, 2, 3};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    shellSort(arr, n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        cout << arr[i] << " ";
    return 0;
}

C实现

#include <stdio.h>

void shellSort(int arr[], int n) {
    for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {
        for (int i = gap; i < n; i++) {
            int temp = arr[i];
            int j;
            for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap)
                arr[j] = arr[j - gap];
            arr[j] = temp;
        }
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 34, 54, 2, 3};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    shellSort(arr, n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        printf("%d ", arr[i]);
    return 0;
}

对比分析

性能：希尔排序的时间复杂度在O(n^(3/2))到O(n log n)之间，相较于插入排序更快，尤其是对于大规模数据。
可读性：C++和C的代码结构相似，但C++的类型和命名更易读。
灵活性：C++提供了更多的库支持，可能在大项目中更易于维护。

4. 归并排序（动图点击）

归并排序是一种有效的排序算法，它采用分治法，将大问题分解为小问题来解决。

C++实现

#include <iostream>
using namespace std;

void merge(int arr[], int left, int mid, int right) {
    int n1 = mid - left + 1;
    int n2 = right - mid;
    int* L = new int[n1];
    int* R = new int[n2];

    for (int i = 0; i < n1; i++)
        L[i] = arr[left + i];
    for (int j = 0; j < n2; j++)
        R[j] = arr[mid + 1 + j];

    int i = 0, j = 0, k = left;
    while (i < n1 && j < n2) {
        if (L[i] <= R[j]) {
            arr[k] = L[i];
            i++;
        } else {
            arr[k] = R[j];
            j++;
        }
        k++;
    }

    while (i < n1) {
        arr[k] = L[i];
        i++;
        k++;
    }

    while (j < n2) {
        arr[k] = R[j];
        j++;
        k++;
    }
    delete[] L;
    delete[] R;
}

void mergeSort(int arr[], int left, int right) {
    if (left < right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        mergeSort(arr, left, mid);
        mergeSort(arr, mid + 1, right);
        merge(arr, left, mid, right);
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 11, 13, 5, 6, 7};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    mergeSort(arr, 0, n - 1);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        cout << arr[i] << " ";
    return 0;
}

C实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void merge(int arr[], int left, int mid, int right) {
    int n1 = mid - left + 1;
    int n2 = right - mid;
    int* L = (int*)malloc(n1 * sizeof(int));
    int* R = (int*)malloc(n2 * sizeof(int));

    for (int i = 0; i < n1; i++)
        L[i] = arr[left + i];
    for (int j = 0; j < n2; j++)
        R[j] = arr[mid + 1 + j];

    int i = 0, j = 0, k = left;
    while (i < n1 && j < n2) {
        if (L[i] <= R[j]) {
            arr[k] = L[i];
            i++;
        } else {
            arr[k] = R[j];
            j++;
        }
        k++;
    }

    while (i < n1) {
        arr[k] = L[i];
        i++;
        k++;
    }

    while (j < n2) {
        arr[k] = R[j];
        j++;
        k++;
    }
    free(L);
    free(R);
}

void mergeSort(int arr[], int left, int right) {
    if (left < right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        mergeSort(arr, left, mid);
        mergeSort(arr, mid + 1, right);
        merge(arr, left, mid, right);
    }
}

int main() {
    int arr[] =