数据结构与算法——排序（C语言实现）

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🌟🌟 追风赶月莫停留 🌟🌟
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🌟🌟 平芜尽处是春山🌟🌟
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🍋排序

🍑插入排序
- 🍍直接插入排序
- 🍍希尔排序
🍑选择排序
- 🍍选择排序
- 🍍堆排序
🍑交换排序
- 🍍冒泡排序
- 🍍快速排序
- - 🍌快排（经典写法）
  - 🍌快排（挖坑法）
  - 🍌快排（双指针法）
  - 🍌快排优化
🍑归并排序
- 🍍归并排序（递归）
- 🍍归并排序（非递归）

🍑插入排序

🍍直接插入排序

#include<stdio.h>
/// 直接插入排序
void InsertSort(int* a, int n)
{for (int i = 0; i < n - 2; i++){int end = i;int cur = a[end + 1];while (cur >= 0){if (cur < a[end]){a[end + 1] = a[end];}else{break;}end--;}a[end + 1] = cur;}
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);InsertSort(a, size);for (int i = 0; i < size; i++){printf("%d ", a[i]);}return 0;
}

0到end有序，把end+1序列插入到前序序列
控制[end + 1]序列有序

直接插入排序有点类似尾插，都是从后面开始往前比较，和我们平常打扑克洗牌类似。

🍍希尔排序

void ShellSort(int* a, int n)
{int gap = n;while (gap > 1){gap = gap / 3 + 1;//保证了gap最小为1for (int i = 0; i < n - gap; i = i + gap){int end = i;int cur = a[end + gap];while (end >= 0){if (cur < a[end]){a[end + gap] = a[end];}else{break;}end = end - gap;}a[end + gap] = cur;}}
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);ShellSort(a, size);for (int i = 0; i < size; i++){printf("%d ", a[i]);}return 0;
}

在这里插入图片描述

该排序就是：预排序加直接插入排序

gap的作用就是分成多少组，一组一组的排

预排序的作用就是让大的数更快的到后面去，而小的数更快的到前面来
在这里gap等于1的时候就是直接插入排序

🍑选择排序

🍍选择排序

void Swap(int* a1, int* a2)
{int cur = *a1;*a1 = *a2;*a2 = cur;
}
void SelectSort(int* a, int n)
{int begin = 0;int end = n - 1;while (begin < end){int max = begin;int min = begin;for (int i = begin+1; i <= end; i++){if (a[i] < a[min]){min = i;}if (a[i] > a[max]){max = i;}}Swap(&a[begin], &a[min]);if (max == begin)//特殊情况{max = min;}Swap(&a[max], &a[end]);begin++;end--;}
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);SelectSort(a, size);Print(a, size);return 0;
}

在这里插入图片描述

图里就简单列出了三步，帮大家理清程序的逻辑。

选择排序就是从一堆数里选出最大和最小，然后最大的放在最右边，最小的放在最左边，然后在有效的数据长度里不断执行这一步就可以了。

然而还有一种特殊情况：

在这里插入图片描述
在图中，最大的数恰好是在begin位置上，我们程序上是先把最小的放到最左边，此时a[min]和a[begin]就会互换位置，如下：

在这里插入图片描述

此时max上的数已经不是最大的了，接下来再把最大的数放在最右边，就出错了，所以在这里我们就需要加一个判断：

if (max == begin)//特殊情况{max = min;}

大家可能还有疑问，我们这里的执行顺序是先把最小的数放在最左边，然后把最大的数放在最右边。

有的人肯定就会问如果先执行把最大的数放在最右边，再执行把最小的数放在最左边，这样是不是就不会出现这种特殊情况了。

但我想说的是，如果此时最小的数恰好在end上呢，两种都是特殊的情况，而且类似。

🍍堆排序

此处排序请看上篇博客：堆和二叉树的动态实现（C语言实现）,这篇博客详细的介绍了堆排序。

🍑交换排序

🍍冒泡排序

void Swap(int* a1, int* a2)
{int cur = *a1;*a1 = *a2;*a2 = cur;
}void BuddleSort(int* a, int n)
{for (int i = 0; i < n; i++){for (int j = 0; j < n - i - 1; j++){if (a[j] > a[j + 1]){Swap(&a[j], &a[j + 1]);}}}
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);BuddleSort(a, size);for (int i = 0; i < size; i++){printf("%d ", a[i]);}return 0;
}

冒泡排序大家应该熟悉，这个排序就是两个两个的比较，从第一个一直比到后面。这个冒泡排序是最基础的排序。

🍍快速排序

🍌快排（经典写法）

void Swap(int* a1, int* a2)
{int cur = *a1;*a1 = *a2;*a2 = cur;
}
int PartSort1(int* a, int left, int right)//单趟
{int key = left;while (left < right){while (left < right && a[right] >= a[key]){right--;}while (left < right && a[left] <= a[key]){left++;}Swap(&a[left], &a[right]);}Swap(&a[left], &a[key]);return left;
}void QuickSort1(int* a, int left, int right)
{if (left >= right)return;int key = PartSort1(a, left, right);QuickSort1(a, left, key - 1);QuickSort1(a, key + 1, right);
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);QuickSort1(a, 0, size - 1);Print(a, size);return 0;
}

在这里插入图片描述
上图中就是单趟的走法。

在单趟走法中有几个坑：
（1）第一个坑就是在第一个while循环中有left<right了有的人就认为在while程序内部就会一直维持left<right，其实是错的。在单趟的走法中，无论是right往右走，还是left往左走，都有可能left>right发生。
（2）第二个坑就是在判断条件a[key]>=a[right]或者a[key]<=a[left]中，等号可不可以去掉。在这里可以肯定的是这个等号是不可以去掉的，去掉的话会陷入无限循环中。

在这个排序中，我们还是利用了二叉树的知识点，先从左子树排序，然后再是右子树，当然基础都是利用了递归。

如果有需要了解二叉树的知识可以查看这篇博客：堆和二叉树的动态实现（C语言实现）,这篇博客详细的介绍了堆排序。

🍌快排（挖坑法）

int PartSort2(int* a, int left, int right)
{int key = a[left];int hold = left;while (left < right){//找小while (left < right && a[right] >= key){right--;}a[hold] = a[right];hold = right;//找大while (left < right && a[left] <= key){left++;}a[hold] = a[left];hold = left;}a[hold] = key;return hold;
}void QuickSort2(int* a, int left, int right)
{if (left >= right)return;int key = PartSort2(a, left, right);QuickSort2(a, left, key - 1);QuickSort2(a, key + 1, right);
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);QuickSort1(a, 0, size - 1);Print(a, size);return 0;
}

在这里插入图片描述
快排（挖坑法）这是比较好理解。其中需要注意的和上面的差不多。

🍌快排（双指针法）

void Swap(int* a1, int* a2)
{int cur = *a1;*a1 = *a2;*a2 = cur;
}
int PartSort3(int* a, int left, int right)
{int key = left;int cur = left + 1;int old = left;while (cur <= right){if (a[cur] <= a[key]){old++;Swap(&a[old], &a[cur]);}cur++;}Swap(&a[key], &a[old]);return old;
}void QuickSort3(int* a, int left, int right)
{if (left >= right)return;int key = PartSort3(a, left, right);QuickSort3(a, left, key - 1);QuickSort3(a, key + 1, right);
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);QuickSort3(a, 0, size - 1);Print(a, size);return 0;
}

在这里插入图片描述
这个双指针写法，明显比上面的两种都好理解，代码也简单些。这个想法还是如果a[cur]比key大，就光cur++。如果a[cur]比key小，就先old++,再把a[cur]赋给a[old]，然后cur++。整体的思路就是这些。

🍌快排优化

上面我们介绍了三种快排的写法，其中我们在取key值的时候都是取left，left一开始都是代表最左边的数据，而在现实，left代表的值的大小不一定是在中间，如果left代表的值是较小的或者是较大的那么可能对于快排相较于其它排序来说，此种情况就是快排最坏的情况，可能比堆排或则希尔排序等来说还要慢。

所以在取key值的时候加了一个三数取中的程序：

// 三数取中
int GetMiddle(int* a, int left, int right)
{int mid = (left + right) / 2;// left mid rightif (a[left] < a[mid]){if (a[mid] < a[right]){return mid;}else if (a[left] > a[right])  // mid是最大值{return left;}else{return right;}}else // a[left] > a[mid]{if (a[mid] > a[right]){return mid;}else if (a[left] < a[right]) // mid是最小{return left;}else{return right;}}
}

这个程序就是简单的取一个中间数的大小，这样快排就不会出现上面所讲的那种情况。

🍑归并排序

🍍归并排序（递归）

void _MergeSort(int* a, int *tem, int left, int right)
{//递归if (right <= left)return;int mid = (left + right) / 2;_MergeSort(a, tem, left, mid);_MergeSort(a, tem, mid+1, right);//归并，拷贝到tem中int left1 = left, right1 = mid;int left2 = mid + 1, right2 = right;int sum = left;while (left1 <= right1 && left2 <= right2){if (a[left1] < a[left2]){tem[sum++] = a[left1++];}else{tem[sum++] = a[left2++];}}while (left1 <= right1){tem[sum++] = a[left1++];}while (left2 <= right2){tem[sum++] = a[left2++];}memcpy(a + left, tem + left, (right - left + 1) * sizeof(int));}void MergeSort(int* a, int n)
{int* tem = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (tem == NULL){perror("malloc  fail");return;}_MergeSort(a, tem, 0, n - 1);free(tem);
}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456 };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);MergeSort(a, size);Print(a, size);return 0;
}

该种排序是利用递归实现的。

在这里插入图片描述
具体的流程如上面图中所示。大概就是分为六步，完成后在把数组拷贝回原来数组就可以了

🍍归并排序（非递归）

void Print(int* a, int n)
{for (int i = 0; i < n; i++){printf("%d ", a[i]);}printf("\n");
}void MergeSortNort(int* a, int n)
{int* cur = (int*)malloc(n * sizeof(int));if (cur == NULL){perror("malloc  fail");return;}int gap = 1;while (gap < n){for (int i = 0; i < n; i = i + 2 * gap){int left1 = i, right1 = i + gap - 1;int left2 = i + gap, right2 = i + 2 * gap - 1;int sum = i;while (left1 <= right1 && left2 <= right2){if (a[left1] < a[left2]){cur[sum++] = a[left1++];}else{cur[sum++] = a[left2++];}}while (left1 <= right1){cur[sum++] = a[left1++];}while (left2 <= right2){cur[sum++] = a[left2++];}memcpy(a + i, cur + i, (2 * gap) * sizeof(int));}//printf("\n");gap = gap * 2;}}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456, };int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);MergeSortNort(a, size);Print(a, size);return 0;
}

在这里插入图片描述

程序的逻辑就是图中一步一步的来，和递归的执行过程有些部分是相似的，就是在这里，空间的区分可能难以让人理解，大家可以代数进去尝试，多凭自己的想法写几遍，大致过程也就心里有数了。

大家在图中也看到了，最后gap取的是偶数，所以这个程序的前提条件就是数据只能是偶数次的数据，而一旦是奇数程序就会报错。接下来有一个修正版，大家可以先把偶数版的理解了，再去看奇数版的会轻松很多。

如果数据个数是偶数：
在这里插入图片描述

这里区间一切正常，也成功排序。

如果数据个数是奇数：

在这里插入图片描述

从图中可知，标的有箭头的区间划分中，都超出范围了，所以我们有必要修正

归并排序优化：

void Print(int* a, int n)
{for (int i = 0; i < n; i++){printf("%d ", a[i]);}printf("\n");
}void MergeSortNort(int* a, int n)
{int* cur = (int*)malloc(n * sizeof(int));if (cur == NULL){perror("malloc  fail");return;}int gap = 1;while (gap < n){for (int i = 0; i < n; i = i + 2 * gap){int left1 = i, right1 = i + gap - 1;int left2 = i + gap, right2 = i + 2 * gap - 1;printf("[%d  %d]  [%d  %d]\n", left1, right1, left2, right2);//如果第二组不存在，这一组就不用归并if (left2 >= n){break;}//如果第二组右边见越界了，就修正一下if (right2 >= n){right2 = n - 1;}int sum = i;while (left1 <= right1 && left2 <= right2){if (a[left1] < a[left2]){cur[sum++] = a[left1++];}else{cur[sum++] = a[left2++];}}while (left1 <= right1){cur[sum++] = a[left1++];}while (left2 <= right2){cur[sum++] = a[left2++];}memcpy(a + i, cur + i, (right2 - i + 1) * sizeof(int));}gap = gap * 2;}}int main()
{int a[] = { 2,66,34,5,123,34,345,456, 3};int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);MergeSortNort(a, size);Print(a, size);return 0;
}