1、冒泡排序
1.1 基本介绍
- 冒泡排序(Bubble Sorting) 的基本思想是: 通过对待排序序列从前向后(从下标较小的元素开始),依次比较相邻元素的值, 若发现逆序则交换, 使值较大的元素逐渐从前移向后部, 就像水底下的气泡一样逐渐向上冒。
- 优化:因为排序的过程中, 各元素不断接近自己的位置, 如果一趟比较下来没有进行过交换, 就说明序列有序, 因此要在排序过程中设置一个标志 flag 判断元素是否进行过交换。 从而减少不必要的比较。 (这里说的优化, 可以在冒泡排序写好后, 再进行)
1.2 冒泡排序图解
- 第一趟:
从数组 arr 第一个元素开始,与其后面一个元素比较大小
如果 arr[i] > arr[i+1] ,则交换,将大的元素换到后面去
由于是当前元素与其后面一个元素比较大小,所以只需要执行 arr.length - 1 次循环 - 第二趟:
从数组 arr 第一个元素开始,与其后面一个元素比较大小
由于第一趟排序完成,数组最后一个元素已是最大元素,所以只需要执行 arr.length - 1 - 1 次循环
啥时候完成?下面两个条件满足任意一个即可:
当其中有一趟排序没有元素交换位置时,说明数组已经有序
或:按照上述流程,跑完第 arr.length - 1 趟之后
这样来想:5 个元素的数组,最多只需要跑 4 趟
为什么最多只需要跑 4 趟?因为跑完 4 趟之后,数组第二个元素已经成为了数组第二小的元素,那么数组自然就是有序数组
即数组长度如果为 n ,那么则需要跑 n - 1 趟
1.3 代码实现
public class BubbleSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {3,9,-1,10,-2};
bubbleSort(arr);
System.out.println("排序后:"+Arrays.toString(arr));
}
/**
* 冒泡排序 时间复杂度o(n^2)
* @param arr
*/
private static void bubbleSort(int[] arr) {
int temp ;
for (int i = 0; i < arr.length -1; i++) {
for (int j = 0; j < arr.length -1 - i; j++) {
if (arr[j] > arr[j+1]) {
temp = arr[j];
arr[j] = arr[j+1];
arr[j+1] = temp;
}
}
}
}
}
1.4 优化后的代码实现
public class BubbleSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {3,9,-1,10,20};
bubbleSort(arr);
System.out.println("排序后:"+Arrays.toString(arr));
}
/**
* 冒泡排序 时间复杂度o(n^2)
* @param arr
*/
private static void bubbleSort(int[] arr) {
int temp ;
boolean flag = false;//表示是否进行过交换
for (int i = 0; i < arr.length -1; i++) {
for (int j = 0; j < arr.length -1 - i; j++) {
if (arr[j] > arr[j+1]) {
flag = true;
temp = arr[j];
arr[j] = arr[j+1];
arr[j+1] = temp;
}
}
System.out.println("第" + (i + 1) + "趟排序后的数组");
System.out.println(Arrays.toString(arr));
if (!flag) {
//在一趟排序中,一次交换都没有发生过
break;
}else {
//重置flag!!!, 进行下次判断
flag = false;
}
}
}
}
1.5 测试冒泡排序性能
public class BubbleSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = new int[80000];
for (int i = 0; i < 80000; i++) {
arr[i] = (int)(Math.random()*8000000);
}
Date date1 = new Date();
SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
String before = simpleDateFormat.format(date1);
System.out.println("排序前的时间是=" + before);
bubbleSort(arr);
Date date2 = new Date();
String after = simpleDateFormat.format(date2);
System.out.println("排序后的时间是=" + after);
}
/**
* 冒泡排序 时间复杂度o(n^2)
* @param arr
*/
private static void bubbleSort(int[] arr) {
int temp ;
boolean flag = false;//表示是否进行过交换
for (int i = 0; i < arr.length -1; i++) {
for (int j = 0; j < arr.length -1 - i; j++) {
if (arr[j] > arr[j+1]) {
flag = true;
temp = arr[j];
arr[j] = arr[j+1];
arr[j+1] = temp;
}
}
if (!flag) {
//在一趟排序中,一次交换都没有发生过
break;
}else {
//重置flag!!!, 进行下次判断
flag = false;
}
}
}
}
程序运行结果:
排序前的时间是=2022-12-07 08:55:42
排序后的时间是=2022-12-07 08:55:52
2、选择排序
2.1 基本介绍
选择式排序也属于内部排序法, 是从欲排序的数据中, 按指定的规则选出某一元素, 再依规定交换位置后达到排序的目的。
2.2 排序思想
选择排序(select sorting) 也是一种简单的排序方法。 它的基本思想是(n 是数组大小):
- 第一次从 arr[0]~arr[n-1]中选取最小值,与 arr[0] 交换
- 第二次从 arr[1]~arr[n-1]中选取最小值, 与 arr[1] 交换
- 第三次从 arr[2]~arr[n-1]中选取最小值, 与 arr[2] 交换
- 第 i 次从 arr[i-1]~arr[n-1]中选取最小值, 与 arr[i-1] 交换
- 第 n-1 次从 arr[n-2]~arr[n-1]中选取最小值,与 arr[n-2] 交换
- 总共通过 n-1 次, 得到一个按排序码从小到大排列的有序序列
2.3 排序图解
-
选择排序流程:
第一次循环,默认 arr[0] 是最小的元素,将其与 arr[1]~arr[n-1] 进行比较,找到最小的元素,并与 arr[0] 的位置位置
第二次循环,默认 arr[1] 是最小的元素,将其与 arr[2]~arr[n-1] 进行比较,找到最小的元素,并与 arr[1] 的位置位置
第 i 次循环,默认 arr[i] 是最小的元素,将其与 arr[i+1]~arr[n-1] 进行比较,找到最小的元素,并与 arr[i] 的位置位置
直到循环执行 n - 1 次 -
总结:两层 for 循环
第一层 for 循环控制走多少趟:for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
从数组第一个元素开始,因为每次都是拿当前元素 arr[j] 和其后一个元素 arr[j+1] 进行比较
到数组倒数第二个元素结束,将 arr[arr.length - 2] 与 arr[arr.length - 1] 进行比较后,数组就已经是有序数组
如果数组大小为 n ,那么执行完第 n - 1 趟时,数组就已经是有序数组
第二层 for 循环控制从第几个元素开始执行选择排序:for (int j = i + 1; j < arr.length; j++)
每次进入第二层 for 循环时,先假设当前元素 arr[i] 是最小的元素:min = arr[i]; ,并记录最小元素的下标:index = i;
然后依次和其后面的元素 arr[j] 比较,如果找到比 arr[i] 小的元素,则更新最小值和最小值的索引:min = arr[j]; index = j ;
2.4 代码实现
- 一步一步理解选择排序算法
//选择排序
public class SelectSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 101, 34, 119, 1 };
selectSort(arr);
}
// 选择排序
public static void selectSort(int[] arr) {
// 使用逐步推导的方式来,讲解选择排序
// 第1轮
// 原始的数组 : 101, 34, 119, 1
// 第一轮排序 : 1, 34, 119, 101
// 算法 先简单--》 做复杂, 就是可以把一个复杂的算法,拆分成简单的问题-》逐步解决
// 第1轮
int minIndex = 0;
int min = arr[0];
for (int j = 0 + 1; j < arr.length; j++) {
if (min > arr[j]) { // 说明假定的最小值,并不是最小
min = arr[j]; // 重置min
minIndex = j; // 重置minIndex
}
}
// 将最小值,放在arr[0], 即交换
if (minIndex != 0) {
arr[minIndex] = arr[0];
arr[0] = min;
}
System.out.println("第1轮后~~");
System.out.println(Arrays.toString(arr));// 1, 34, 119, 101
// 第2轮
minIndex = 1;
min = arr[1];
for (int j = 1 + 1; j < arr.length; j++) {
if (min > arr[j]) { // 说明假定的最小值,并不是最小
min = arr[j]; // 重置min
minIndex = j; // 重置minIndex
}
}
// 将最小值,放在arr[0], 即交换
if (minIndex != 1) {
arr[minIndex] = arr[1];
arr[1] = min;
}
System.out.println("第2轮后~~");
System.out.println(Arrays.toString(arr));// 1, 34, 119, 101
// 第3轮
minIndex = 2;
min = arr[2];
for (int j = 2 + 1; j < arr.length; j++) {
if (min > arr[j]) { // 说明假定的最小值,并不是最小
min = arr[j]; // 重置min
minIndex = j; // 重置minIndex
}
}
// 将最小值,放在arr[0], 即交换
if (minIndex != 2) {
arr[minIndex] = arr[2];
arr[2] = min;
}
System.out.println("第3轮后~~");
System.out.println(Arrays.toString(arr));// 1, 34, 101, 119
}
}
- 编写选择排序
//选择排序
public class SelectSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 101, 34, 119, 1 };
selectSort(arr);
}
// 选择排序
public static void selectSort(int[] arr) {
// 在推导的过程,我们发现了规律,因此,可以使用for来解决
// 选择排序时间复杂度是 O(n^2)
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
int minIndex = i;
int min = arr[i];
for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
if (min > arr[j]) { // 说明假定的最小值,并不是最小
min = arr[j]; // 重置min
minIndex = j; // 重置minIndex
}
}
// 将最小值,放在arr[0], 即交换
if (minIndex != i) {
arr[minIndex] = arr[i];
arr[i] = min;
}
System.out.println("第" + (i + 1) + "轮后~~");
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
}
2.5 测试选择排序性能
public class SelectSort {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = new int[80000];
for (int i = 0; i < 80000; i++) {
arr[i] = (int)(Math.random()*8000000);
}
Date date1 = new Date();
SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
String before = simpleDateFormat.format(date1);
System.out.println("排序前的时间是=" + before);
selectSort(arr);
Date date2 = new Date();
String after = simpleDateFormat.format(date2);
System.out.println("排序后的时间是=" + after);
}
/**
* 选择排序
* @param arr
*/
private static void selectSort(int[] arr) {
for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
//假定最小的
int minIndex = i;
int min = arr[i];
for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
if (min > arr[j]) {
minIndex = j;
min = arr[j];
}
}
//开始交换
if (minIndex != i) {
arr[minIndex] = arr[i];
arr[i] = min;
}
}
}
}
程序运行结果:
排序前的时间是=2022-12-07 08:58:09
排序后的时间是=2022-12-07 08:58:10
2.6 总结
由于选择排序算法在最内层的 for 循环中,满足 if (min > arr[j]) { 条件后,只需要记录最小值和最小值在数组中的索引,无需像冒泡排序那样每次都要执行交换操作,所以选择排序算法的执行速度比冒泡排序算法快一些
3、插入排序
3.1基本介绍
插入式排序属于内部排序法,是对于欲排序的元素以插入的方式找寻该元素的适当位置,以达到排序的目的。
3.2 插入排序法思想
- 插入排序(Insertion Sorting) 的基本思想是: 把 n 个待排序的元素看成为一个有序表和一个无序表
- 开始时有序表中只包含一个元素, 无序表中包含有 n-1 个元素, 排序过程中每次从无序表中取出第一个元素, 把它的排序码依次与有序表元素的排序码进行比较, 将它插入到有序表中的适当位置, 使之成为新的有序表
3.3 插入排序图解
3.3.1 插入排序逻辑
- 将数组分为两个数组,前部分有序数组,后部分是无序数组,我们的目的就是一点一点取出无序数组中的值,将其放到有序数组中去
- 第一趟:arr[0] 作为有序数组的元素,arr[1] 作为无序数组中第一个元素,将 arr[1] 与 arr[0] 进行比较,目标是将 arr[1] 插入到有序数组中
- 第二趟:arr[0] 和 arr[1] 作为有序数组的元素,arr[2] 作为无序数组中第一个元素,将 arr[2] 与 arr[0] 和 arr[1] 比较,目标是将 arr[2] 插入到有序数组中
- 第 i 趟:arr[0]~arr[i] 作为有序数组的元素,arr[i+1] 作为无序数组中第一个元素,将 arr[i+1] 与 arr[0]~arr[i] 比较,目标是将 arr[i+1] 插入到有序数组中
- 第 n-1 趟:此时有序数组为 arr[0]~arr[n-2] ,无序数组为 arr[n-1] ,将无序数组中最后一个元素插入到有序数组中即可
3.3.2 如何进行插入?
- 假设有个指针(index),指向无序数组中的第一个元素,即 arr[index] 是无序数组中的第一个元素,我们定义一个变量来存储该值:int insertVal = arr[index];,现在要将其插入到前面的有序数组中
- 将 index 前移一步,则指向有序数组最后一个元素,我们定义一个新的变量来存储该指针:insertIndex = index - 1; ,即 arr[insertIndex] 是有序数组最后一个元素
- 我们需要找到一个比 insertVal 小的值,并将 insertVal 插入在该值后面:
①如果 insertVal > arr[insertIndex] ,执行插入
②如果 insertVal < arr[insertIndex] ,将有序数组后移,腾出插入空间,insertIndex 指针前移,再看看前一个元素满不满足条件,直到找到插入位置
③即循环终止条件为找到插入位置,又分为两种情况:
(1)在有序数组中间找到插入位置
(2)insertVal 比有序数组中所有的数都小,插入在数组第一个位置(insertIndex = 0 的情况)
3.3.3 总结
- for 循环控制走多少趟:for(int i = 1; i < arr.length; i++) { ,从数组第一个元素开始到数组最后一个元素结束
- while 循环不断将指针前移,在有序数组中寻找插入位置,并执行插入:
while (insertIndex >= 0 && insertVal < arr[insertIndex])
3.4 代码实现
3.4.1 插入排序分步实现