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C 排序算法


冒泡排序

冒泡排序(英语:Bubble Sort)是一种简单的排序算法。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(如从大到小、首字母从A到Z)错误就把他们交换过来。

过程演示:

#include <stdio.h>
 
// 函数声明
void bubble_sort(int arr[], int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    bubble_sort(arr, len);  // 调用冒泡排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 冒泡排序函数
void bubble_sort(int arr[], int len) {
    for (int i = 0; i < len - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < len - 1 - i; j++) {
            // 交换元素位置
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

选择排序

选择排序(Selection sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。

过程演示:

#include <stdio.h>
 
// 函数声明
void selection_sort(int a[], int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    selection_sort(arr, len);  // 调用选择排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 选择排序函数
void selection_sort(int a[], int len) {
    for (int i = 0; i < len - 1; i++) {
        int min = i;  // 记录最小值的位置,第一个元素默认最小
        for (int j = i + 1; j < len; j++) {
            if (a[j] < a[min]) {  // 找到目前最小值
                min = j;  // 记录最小值的位置
            }
        }
        // 交换两个变量
        if (min != i) {
            int temp = a[min];
            a[min] = a[i];
            a[i] = temp;
        }
    }
}
 
/*
// 自定义交换函数
void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}
*/

插入排序
插入排序(英语:Insertion Sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。插入排序在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到 {\displaystyle O(1)} {\displaystyle O(1)}的额外空间的排序),因而在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后

挪位,为最新元素提供插入空间。 

过程演示:

#include <stdio.h>
 
// 函数声明
void insertion_sort(int arr[], int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    insertion_sort(arr, len);  // 调用插入排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 插入排序函数
void insertion_sort(int arr[], int len) {
    for (int i = 1; i < len; i++) {
        int temp = arr[i];  // 当前待插入的元素
        int j = i;
        // 向右移动大于temp的元素
        while (j > 0 && arr[j - 1] > temp) {
            arr[j] = arr[j - 1];
            j--;
        }
        arr[j] = temp;  // 插入元素到正确位置
    }
}

希尔排序

希尔排序,也称递减增量排序算法,是插入排序的一种更高效的改进版本。希尔排序是非稳定排序算法。

希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的:

插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时,效率高,即可以达到线性排序的效率
但插入排序一般来说是低效的,因为插入排序每次只能将数据移动一位
过程演示:

#include <stdio.h>
 
// 函数声明
void shell_sort(int arr[], int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    shell_sort(arr, len);  // 调用希尔排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 希尔排序函数
void shell_sort(int arr[], int len) {
    // 计算初始间隔
    for (int gap = len / 2; gap > 0; gap /= 2) {
        // 对每个间隔进行插入排序
        for (int i = gap; i < len; i++) {
            int temp = arr[i];  // 当前待插入的元素
            int j = i;
            // 移动大于temp的元素
            while (j >= gap && arr[j - gap] > temp) {
                arr[j] = arr[j - gap];
                j -= gap;
            }
            arr[j] = temp;  // 插入元素到正确位置
        }
    }
}

归并排序

把数据分为两段,从两段中逐个选最小的元素移入新数据段的末尾。

可从上到下或从下到上进行。

过程演示:

迭代法:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
// 函数声明
int min(int x, int y);
void merge_sort(int arr[], int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    merge_sort(arr, len);  // 调用归并排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 返回两个数中的最小值
int min(int x, int y) {
    return x < y ? x : y;
}
 
// 归并排序函数
void merge_sort(int arr[], int len) {
    int* a = arr;
    int* b = (int*) malloc(len * sizeof(int));
 
    if (b == NULL) {  // 检查内存分配是否成功
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
    for (int seg = 1; seg < len; seg += seg) {
        for (int start = 0; start < len; start += seg + seg) {
            int low = start;
            int mid = min(start + seg, len);
            int high = min(start + seg + seg, len);
            int k = low;
            int start1 = low, end1 = mid;
            int start2 = mid, end2 = high;
 
            // 合并两个子数组
            while (start1 < end1 && start2 < end2) {
                b[k++] = a[start1] < a[start2] ? a[start1++] : a[start2++];
            }
            while (start1 < end1) {
                b[k++] = a[start1++];
            }
            while (start2 < end2) {
                b[k++] = a[start2++];
            }
        }
 
        // 交换数组指针
        int* temp = a;
        a = b;
        b = temp;
    }
 
    // 如果a和arr不相同,则将a的内容复制回arr
    if (a != arr) {
        for (int i = 0; i < len; i++) {
            b[i] = a[i];
        }
        b = a;
    }
 
    free(b);  // 释放内存
}

递归法:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
// 函数声明
void merge_sort_recursive(int arr[], int reg[], int start, int end);
void merge_sort(int arr[], const int len);
 
int main() {
    int arr[] = { 22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组长度
 
    merge_sort(arr, len);  // 调用归并排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}
 
// 递归实现归并排序
void merge_sort_recursive(int arr[], int reg[], int start, int end) {
    if (start >= end)
        return;
 
    int mid = start + (end - start) / 2;
    int start1 = start, end1 = mid;
    int start2 = mid + 1, end2 = end;
 
    merge_sort_recursive(arr, reg, start1, end1);
    merge_sort_recursive(arr, reg, start2, end2);
 
    int k = start;
    while (start1 <= end1 && start2 <= end2) {
        reg[k++] = arr[start1] < arr[start2] ? arr[start1++] : arr[start2++];
    }
    while (start1 <= end1) {
        reg[k++] = arr[start1++];
    }
    while (start2 <= end2) {
        reg[k++] = arr[start2++];
    }
 
    // 使用memcpy进行数组复制,提高效率
    memcpy(arr + start, reg + start, (end - start + 1) * sizeof(int));
}
 
// 归并排序入口函数
void merge_sort(int arr[], const int len) {
    int* reg = (int*)malloc(len * sizeof(int));
    if (reg == NULL) {  // 检查内存分配是否成功
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    merge_sort_recursive(arr, reg, 0, len - 1);
    free(reg);  // 释放内存
}

快速排序

在区间中随机挑选一个元素作基准,将小于基准的元素放在基准之前,大于基准的元素放在基准之后,再分别对小数区与大数区进行排序。

过程演示:

迭代法:

#include <stdio.h>
 
// 范围结构体
typedef struct _Range {
    int start, end;
} Range;
 
// 创建新的范围
Range new_Range(int s, int e) {
    Range r;
    r.start = s;
    r.end = e;
    return r;
}
 
// 交换两个整数
void swap(int *x, int *y) {
    int t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}
 
// 快速排序函数
void quick_sort(int arr[], const int len) {
    if (len <= 0)
        return; // 避免 len 等于负值时引发段错误(Segment Fault)
 
    Range r[len];
    int p = 0;
    r[p++] = new_Range(0, len - 1);
 
    while (p > 0) {
        Range range = r[--p];
        if (range.start >= range.end)
            continue;
 
        int mid = arr[(range.start + range.end) / 2]; // 选取中间点为基准点
        int left = range.start, right = range.end;
 
        do {
            while (arr[left] < mid) ++left;   // 检测基准点左侧是否符合要求
            while (arr[right] > mid) --right; // 检测基准点右侧是否符合要求
 
            if (left <= right) {
                swap(&arr[left], &arr[right]);
                left++;
                right--; // 移动指针以继续
            }
        } while (left <= right);
 
        if (range.start < right) r[p++] = new_Range(range.start, right);
        if (range.end > left) r[p++] = new_Range(left, range.end);
    }
}
 
int main() {
    int arr[] = {22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70};
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // 计算数组长度
 
    quick_sort(arr, len); // 调用快速排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}

递归法:

#include <stdio.h>
 
// 交换两个整数
void swap(int *x, int *y) {
    int t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}
 
// 递归实现快速排序
void quick_sort_recursive(int arr[], int start, int end) {
    if (start >= end)
        return;
 
    int mid = arr[end];
    int left = start, right = end - 1;
 
    while (left < right) {
        while (left < right && arr[left] < mid)
            left++;
        while (left < right && arr[right] >= mid)
            right--;
        swap(&arr[left], &arr[right]);
    }
 
    if (arr[left] >= arr[end])
        swap(&arr[left], &arr[end]);
    else
        left++;
 
    quick_sort_recursive(arr, start, left - 1);
    quick_sort_recursive(arr, left + 1, end);
}
 
// 快速排序入口函数
void quick_sort(int arr[], int len) {
    quick_sort_recursive(arr, 0, len - 1);
}
 
int main() {
    int arr[] = {22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70};
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // 计算数组长度
 
    quick_sort(arr, len); // 调用快速排序函数
 
    // 打印排序后的数组
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
 
    return 0;
}

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