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排序算法

2024-09-08 23:18:43
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供稿:網(wǎng)友

為什么有這么多的排序算法?

首先,在計(jì)算機(jī)編程中排序是一個(gè)經(jīng)常遇到的問題。數(shù)據(jù)只有經(jīng)過排序后,才更有意義。其次,排序算法說明了許多重要的算法的技術(shù),例如二進(jìn)制細(xì)分,遞歸和線性添加。最后要說明的一點(diǎn)是不同的算法有不同的優(yōu)缺點(diǎn),沒有一種算法在任何情況下都是最好的算法。

汽泡排序法

該算法是專門針對已部分排序的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序的一種排序算法。如果在你的數(shù)據(jù)清單中只有一兩個(gè)數(shù)據(jù)是亂序的話,用這種算法就是最快的排序算法。如果你的數(shù)據(jù)清單中的數(shù)據(jù)是隨機(jī)排列的,那么這種方法就成了最慢的算法了。因此在使用這種算法之前一定要慎重。

這種算法的核心思想是掃描數(shù)據(jù)清單,尋找出現(xiàn)亂序的兩個(gè)相鄰的項(xiàng)目。當(dāng)找到這兩個(gè)項(xiàng)目后,交換項(xiàng)目的位置然后繼續(xù)掃描。重復(fù)上面的操作直到所有的項(xiàng)目都按順序排好。

圖1是對這種算法的說明。在該例中,數(shù)字1的未按順序排好。第一次掃描清單時(shí),程序找到4和1是兩個(gè)相鄰的亂序項(xiàng)目,于是交換它們的位置。以此類推,直到將所有的項(xiàng)目按1234排好。數(shù)字1就象上升的汽泡一樣,這就是這一算法名稱的由來。

2221
3312
4133
1444
圖1.

你可以改進(jìn)該算法,讓程序自下而上開始掃描,這樣只須一次就能排好順序了。

下面是用VB代碼實(shí)現(xiàn)這一算法的例子:

' min and max are the minimum and maximum indexes' of the items that might still be out of order.Sub BubbleSort (List() As Long, ByVal min As Integer, _    ByVal max As Integer)Dim last_swap As IntegerDim i As IntegerDim j As IntegerDim tmp As Long    ' Repeat until we are done.    Do While min < max        ' Bubble up.        last_swap = min - 1        ' For i = min + 1 To max        i = min + 1        Do While i <= max            ' Find a bubble.            If List(i - 1) > List(i) Then                ' See where to drop the bubble.                tmp = List(i - 1)                j = i                Do                    List(j - 1) = List(j)                    j = j + 1                    If j > max Then Exit Do                Loop While List(j) < tmp                List(j - 1) = tmp                last_swap = j - 1                i = j + 1            Else                i = i + 1            End If        Loop        ' Update max.        max = last_swap - 1        ' Bubble down.        last_swap = max + 1        ' For i = max - 1 To min Step -1        i = max - 1        Do While i >= min            ' Find a bubble.            If List(i + 1) < List(i) Then                ' See where to drop the bubble.                tmp = List(i + 1)                j = i                Do                    List(j + 1) = List(j)                    j = j - 1                    If j < min Then Exit Do                Loop While List(j) > tmp                List(j + 1) = tmp                last_swap = j + 1                i = j - 1            Else                i = i - 1            End If        Loop        ' Update min.        min = last_swap + 1    LoopEnd Sub

選擇排序法 選擇排序法是一個(gè)很簡單的算法。其原理是首先找到數(shù)據(jù)清單中的最小的數(shù)據(jù),然后將這個(gè)數(shù)據(jù)同第一個(gè)數(shù)據(jù)交換位置;接下來找第二小的數(shù)據(jù),再將其同第二個(gè)數(shù)據(jù)交換位置,以此類推。下面是VB代碼實(shí)現(xiàn)該算法。

Sub Selectionsort (List() As Long, min As Integer, _    max As Integer)Dim i As IntegerDim j As IntegerDim best_value As LongDim best_j As Integer    For i = min To max - 1        best_value = List(i)        best_j = i        For j = i + 1 To max            If List(j) < best_value Then                best_value = List(j)                best_j = j            End If        Next j        List(best_j) = List(i)        List(i) = best_value    Next iEnd Sub

當(dāng)尋找第I小的數(shù)據(jù)時(shí),你必須檢查N-I個(gè)項(xiàng)目,所以這一算法所用的步驟可用下面這個(gè)公式求得。

    N + (N - 1) + (N - 2) + ... + 1 = N * (N + 1) / 2

選擇排序法適用于較少數(shù)據(jù)的排序。此外由于算法較簡單,因此他的代碼也比較簡單,這就為我們維護(hù)代碼帶來了方便。實(shí)際上如果你的數(shù)據(jù)相當(dāng)少的話,這種算法的速度快過其它更復(fù)雜的算法。

快速排序法

快速排序法對于大量數(shù)據(jù)的排序特別有用。其基本原理是:首先檢查數(shù)據(jù)列表中的數(shù)據(jù)數(shù),如果小于兩個(gè),則直接退出程序。如果有超過兩個(gè)以上的數(shù)據(jù),就選擇一個(gè)分割點(diǎn)將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)部分,小于分割點(diǎn)的數(shù)據(jù)放在一組,其余的放在另一組,然后分別對兩組數(shù)據(jù)排序。

通常分割點(diǎn)的數(shù)據(jù)是隨機(jī)選取的。這樣無論你的數(shù)據(jù)是否已被排列過,你所分割成的兩個(gè)字列表的大小是差不多的。而只要兩個(gè)子列表的大小差不多,該算法所需的步驟就是N * log(N) 步。對于使用比較法進(jìn)行排序的算法來講這是最快的方法。下面是用VB代碼實(shí)現(xiàn)這一算法的例子。

Sub Quicksort (List() As Long, min As Integer, max As Integer)Dim med_value As LongDim hi As IntegerDim lo As IntegerDim i As Integer    ' If the list has no more than 1 element, it's sorted.    If min >= max Then Exit Sub    ' Pick a dividing item.    i = Int((max - min + 1) * Rnd + min)    med_value = List(i)    ' Swap it to the front so we can find it easily.    List(i) = List(min)    ' Move the items smaller than this into the left    ' half of the list. Move the others into the right.    lo = min    hi = max    Do        ' Look down from hi for a value < med_value.        Do While List(hi) >= med_value            hi = hi - 1            If hi <= lo Then Exit Do        Loop        If hi <= lo Then            List(lo) = med_value            Exit Do        End If        ' Swap the lo and hi values.        List(lo) = List(hi)                ' Look up from lo for a value >= med_value.        lo = lo + 1        Do While List(lo) < med_value            lo = lo + 1            If lo >= hi Then Exit Do        Loop        If lo >= hi Then            lo = hi            List(hi) = med_value            Exit Do        End If        ' Swap the lo and hi values.        List(hi) = List(lo)    Loop    ' Sort the two sublists    Quicksort List(), min, lo - 1    Quicksort List(), lo + 1, maxEnd Sub

計(jì)數(shù)排序法

前面提到過,對于使用比較法作為算法基礎(chǔ)的算法來說,最快需N * log(N)步才能完成排序。計(jì)數(shù)排序法不作用比較,所以它不受此限制。實(shí)際上該算法是如此之快,以致于你會(huì)認(rèn)為是使用了魔術(shù),而不是數(shù)學(xué)運(yùn)算來排序。

另一方面,計(jì)數(shù)排序法只能用于特殊的情況。首先,所有的要進(jìn)行排序的數(shù)據(jù)必須是整數(shù),不能對字符使用該算法;其次,數(shù)據(jù)的范圍有限,如果你的數(shù)據(jù)是在1到1000之內(nèi),用這種算法的效果就非常好,但如果你的數(shù)據(jù)是在1到30000之間,該算法就根本不能用。

首先該算法創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)類型的臨時(shí)數(shù)組,該數(shù)組的上下標(biāo)分別是要排序的數(shù)據(jù)的最大最小值。如果數(shù)據(jù)列表的最大最小值從min_item到max_item, 該算法就將數(shù)組創(chuàng)建成下面這樣:

    Dim Counts() As Integer    ReDim Counts(min_item To max_item)
接下來,算法檢查列表中的每一個(gè)項(xiàng)目,并增加對應(yīng)該項(xiàng)目的數(shù)組元素的值,當(dāng)這一階段完成后,Counts(I)的數(shù)值就是就是數(shù)值為I的基礎(chǔ)上的個(gè)數(shù)。
    For I = min To Max        Counts(List(I)) = Counts(List(I)) + 1    Next I
程序掃描Counts數(shù)組,將counts轉(zhuǎn)換成被排序列表中的偏移量。
    next_spot = 1    For i = min_value To max_value        this_count = counts(i)        counts(i) = next_spot        next_spot = next_spot + this_count    Next i
最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序

下面是實(shí)現(xiàn)該算法的VB代碼

Sub Countingsort (List() As Long, sorted_list() As Long, _    min As Integer, max As Integer, min_value As Long, _    max_value As Long)Dim counts() As IntegerDim i As IntegerDim this_count As IntegerDim next_offset As Integer    ' Create the Counts array.    ReDim counts(min_value To max_value)    ' Count the items.    For i = min To max        counts(List(i)) = counts(List(i)) + 1    Next i    ' Convert the counts into offsets.    next_offset = min    For i = min_value To max_value        this_count = counts(i)        counts(i) = next_offset        next_offset = next_offset + this_count    Next i    ' Place the items in the sorted array.    For i = min To max        sorted_list(counts(List(i))) = List(i)        counts(List(i)) = counts(List(i)) + 1    Next iEnd Sub

總結(jié)

下表是各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)比較,正如你所見到的那樣,每種算法只是在某一情況下表現(xiàn)得最好,下面是選擇算法時(shí)的一些原則:

  • 如果你的數(shù)據(jù)列表中有99%數(shù)據(jù)已排過序,則用汽泡排序法。
  • 如果你要排序的數(shù)據(jù)較少(100個(gè)以下),則用選擇排序法。
  • 如果你的數(shù)據(jù)都是整數(shù),并且數(shù)值不大(幾千以內(nèi)),則用計(jì)數(shù)排序法。
  • 否則的話用快速排序法法
算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
汽泡排序法對以初步排序的數(shù)據(jù)來說這種方法的速度很快在其它情況下運(yùn)行速度較慢
選擇排序法非常簡單對大量數(shù)據(jù)的排序速度很慢
容易明白
對于少量數(shù)據(jù)的排序來說速度很快
快速排序法對大量數(shù)據(jù)的排序來說速度很快如果有大量重復(fù)的數(shù)據(jù)就比較麻煩
計(jì)數(shù)排序法當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)值較小(1-1000之間)時(shí),速度非常快當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)值較大時(shí),速度較慢
需額外的內(nèi)存
只能對整數(shù)類型的數(shù)據(jù)排序
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