Java中的经典算法之冒泡排序

原理：比较两个相邻的元素，将值大的元素交换至右端。

思路：依次比较相邻的两个数，将小数放在前面，大数放在后面。即在第一趟：首先比较第1个和第2个数，将小数放前，大数放后。然后比较第2个数和第3个数，将小数放前，大数放后，如此继续，直至比较最后两个数，将小数放前，大数放后。重复第一趟步骤，直至全部排序完成。

举例说明：要排序数组：int[] arr={6,3,8,2,9,1};

第一趟排序：

　　　　第一次排序：6和3比较，6大于3，交换位置：  3  6  8  2  9  1

　　　　第二次排序：6和8比较，6小于8，不交换位置：3  6  8  2  9  1

　　　　第三次排序：8和2比较，8大于2，交换位置：  3  6  2  8  9  1

　　　　第四次排序：8和9比较，8小于9，不交换位置：3  6  2  8  9  1

　　　　第五次排序：9和1比较：9大于1，交换位置：  3  6  2  8  1  9

　　　　第一趟总共进行了5次比较， 排序结果：      3  6  2  8  1  9

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第二趟排序：

　　　　第一次排序：3和6比较，3小于6，不交换位置：3  6  2  8  1  9

　　　　第二次排序：6和2比较，6大于2，交换位置：  3  2  6  8  1  9

　　　　第三次排序：6和8比较，6大于8，不交换位置：3  2  6  8  1  9

　　　　第四次排序：8和1比较，8大于1，交换位置：  3  2  6  1  8  9

　　　　第二趟总共进行了4次比较， 排序结果：      3  2  6  1  8  9

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第三趟排序：

　　　　第一次排序：3和2比较，3大于2，交换位置：  2  3  6  1  8  9

　　　　第二次排序：3和6比较，3小于6，不交换位置：2  3  6  1  8  9

　　　　第三次排序：6和1比较，6大于1，交换位置：  2  3  1  6  8  9

　　　　第二趟总共进行了3次比较， 排序结果：         2  3  1  6  8  9

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第四趟排序：

　　　　第一次排序：2和3比较，2小于3，不交换位置：2  3  1  6  8  9

　　　　第二次排序：3和1比较，3大于1，交换位置：  2  1  3  6  8  9

　　　　第二趟总共进行了2次比较， 排序结果：        2  1  3  6  8  9

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第五趟排序：

　　　　第一次排序：2和1比较，2大于1，交换位置：  1  2  3  6  8  9

　　　　第二趟总共进行了1次比较， 排序结果：  1  2  3  6  8  9

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最终结果：1  2  3  6  8  9

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由此可见：N个数字要排序完成，总共进行N-1趟排序，每i趟的排序次数为(N-i)次，所以可以用双重循环语句，外层控制循环多少趟，内层控制每一趟的循环次数，即

for(int i=1;i<arr.length;i++){

    for(int j=1;j<arr.length-i;j++){

    //交换位置

}    

冒泡排序的优点：每进行一趟排序，就会少比较一次，因为每进行一趟排序都会找出一个较大值。如上例：第一趟比较之后，排在最后的一个数一定是最大的一个数，第二趟排序的时候，只需要比较除了最后一个数以外的其他的数，同样也能找出一个最大的数排在参与第二趟比较的数后面，第三趟比较的时候，只需要比较除了最后两个数以外的其他的数，以此类推……也就是说，没进行一趟比较，每一趟少比较一次，一定程度上减少了算法的量。

用时间复杂度来说：

　　1.如果我们的数据正序，只需要走一趟即可完成排序。所需的比较次数C和记录移动次数M均达到最小值，即：C_min=n-1;M_min=0;所以，冒泡排序最好的时间复杂度为O_(n)。

2.如果很不幸我们的数据是反序的，则需要进行n-1趟排序。每趟排序要进行n-i次比较(1≤i≤n-1)，且每次比较都必须移动记录三次来达到交换记录位置。在这种情况下，比较和移动次数均达到最大值：冒泡排序的最坏时间复杂度为：O_(n²) 。

综上所述：冒泡排序总的平均时间复杂度为：O_(n²) 。

代码实现：

/*
 * 冒泡排序
 */
public class BubbleSort {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　int[] arr={6,3,8,2,9,1};
　　　　System.out.println("排序前数组为：");
　　　　for(int num:arr){
　　　　　　System.out.print(num+" ");
　　　　}
　　　　for(int i=0;i<arr.length-1;i++){//外层循环控制排序趟数
　　　　　　for(int j=0;j<arr.length-1-i;j++){//内层循环控制每一趟排序多少次
　　　　　　　　if(arr[j]>arr[j+1]){
　　　　　　　　　　int temp=arr[j];
　　　　　　　　　　arr[j]=arr[j+1];
　　　　　　　　　　arr[j+1]=temp;
　　　　　　　　}
　　　　　　}
　　　　}
　　　　System.out.println();
　　　　System.out.println("排序后的数组为：");
 　　　　for(int num:arr){
 　　　　　　System.out.print(num+" ");
 　　　　}
　　}
 }

图解排序算法(一)之3种简单排序(选择，冒泡，直接插入)

 

　　排序是数据处理中十分常见且核心的操作，虽说实际项目开发中很小几率会需要我们手动实现，毕竟每种语言的类库中都有n多种关于排序算法的实现。但是了解这些精妙的思想对我们还是大有裨益的。本文简单温习下最基础的三类算法：选择，冒泡，插入。

　　先定义个交换数组元素的函数，供排序时调用

   /**
     * 交换数组元素
     * @param arr
     * @param a
     * @param b
     */
    public static void swap(int []arr,int a,int b){
        arr[a] = arr[a]+arr[b];
        arr[b] = arr[a]-arr[b];
        arr[a] = arr[a]-arr[b];
    }

简单选择排序

　　简单选择排序是最简单直观的一种算法，基本思想为每一趟从待排序的数据元素中选择最小（或最大）的一个元素作为首元素，直到所有元素排完为止，简单选择排序是不稳定排序。

　　在算法实现时，每一趟确定最小元素的时候会通过不断地比较交换来使得首位置为当前最小，交换是个比较耗时的操作。其实我们很容易发现，在还未完全确定当前最小元素之前，这些交换都是无意义的。我们可以通过设置一个变量min，每一次比较仅存储较小元素的数组下标，当轮循环结束之后，那这个变量存储的就是当前最小元素的下标，此时再执行交换操作即可。代码实现很简单，一起来看下。

　　代码实现

    /**
     * 简单选择排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void selectSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            int min = i;//每一趟循环比较时，min用于存放较小元素的数组下标，这样当前批次比较完毕最终存放的就是此趟内最小的元素的下标，避免每次遇到较小元素都要进行交换。
            for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
                if (arr[j] < arr[min]) {
                    min = j;
                }
            }
            //进行交换，如果min发生变化，则进行交换
            if (min != i) {
                swap(arr,min,i);
            }
        }
    } 

　　简单选择排序通过上面优化之后，无论数组原始排列如何，比较次数是不变的；对于交换操作，在最好情况下也就是数组完全有序的时候，无需任何交换移动，在最差情况下，也就是数组倒序的时候，交换次数为n-1次。综合下来，时间复杂度为O(n²)

冒泡排序

　　冒泡排序的基本思想是，对相邻的元素进行两两比较，顺序相反则进行交换，这样，每一趟会将最小或最大的元素“浮”到顶端，最终达到完全有序

　　

　　代码实现

　　　　在冒泡排序的过程中，如果某一趟执行完毕，没有做任何一次交换操作，比如数组[5,4,1,2,3]，执行了两次冒泡，也就是两次外循环之后，分别将5和4调整到最终位置[1,2,3,4,5]。此时，再执行第三次循环后，一次交换都没有做，这就说明剩下的序列已经是有序的，排序操作也就可以完成了，来看下代码　

 /**
     * 冒泡排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void bubbleSort(int[] arr) {
        for (int i = 0; i < arr.length - 1; i++) {
            boolean flag = true;//设定一个标记，若为true，则表示此次循环没有进行交换，也就是待排序列已经有序，排序已然完成。
            for (int j = 0; j < arr.length - 1 - i; j++) {
                if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                    swap(arr,j,j+1);
                    flag = false;
                }
            }
            if (flag) {
                break;
            }
        }
    }

　　根据上面这种冒泡实现，若原数组本身就是有序的（这是最好情况），仅需n-1次比较就可完成；若是倒序，比较次数为 n-1+n-2+^...+1=n(n-1)/2，交换次数和比较次数等值。所以，其时间复杂度依然为O(n²）。综合来看，冒泡排序性能还还是稍差于上面那种选择排序的。

直接插入排序

　　直接插入排序基本思想是每一步将一个待排序的记录，插入到前面已经排好序的有序序列中去，直到插完所有元素为止。

　　

代码实现 

    /**
     * 插入排序
     *
     * @param arr
     */
    public static void insertionSort(int[] arr) {
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            int j = i;
            while (j > 0 && arr[j] < arr[j - 1]) {
                swap(arr,j,j-1);
                j--;
            }
        }
    }

　　简单插入排序在最好情况下，需要比较n-1次，无需交换元素，时间复杂度为O(n);在最坏情况下，时间复杂度依然为O(n²)。但是在数组元素随机排列的情况下，插入排序还是要优于上面两种排序的。

总结

　　本文列举了排序算法中最基本的三种算法（简单选择，冒泡，插入），这三种排序算法的时间复杂度均为O(n²)，后续会陆续更新其他更高阶一些的排序算法，时间复杂度也会逐步突破O(n²），谢谢支持。