11选择|插入|冒泡排序

如何分析一个 “ 排序算法 ” ？
学习排序算法，我们除了学习它的算法原理、代码实现之外，更重要的是要学会如何评价、分析一个排序算法。那分析一个排序算法，要从哪几个方面入手呢？
排序算法的执行效
对于排序算法执行效率的分析，我们一般会从这几个方面来衡量：
1.最好情况、最坏情况、平均情况时间复杂度
我们在分析排序算法的时间复杂度时，要分别给出最好情况、最坏情况、平均情况下的时间复杂度。除此之外，你还要说出最好、最坏时间复杂度对应的要排序
的原始数据是什么样的。
为什么要区分这三种时间复杂度呢？第一，有些排序算法会区分，为了好对比，所以我们最好都做一下区分。第二，对于要排序的数据，有的接近有序，有的完
全无序。有序度不同的数据，对于排序的执行时间肯定是有影响的，我们要知道排序算法在不同数据下的性能表现。
2.时间复杂度的系数、常数 、低阶
我们知道，时间复杂度反应的是数据规模 n 很大的时候的一个增长趋势，所以它表示的时候会忽略系数、常数、低阶。但是实际的软件开发中，我们排序的可能
是 10 个、 100 个、 1000 个这样规模很小的数据，所以，在对同一阶时间复杂度的排序算法性能对比的时候，我们就要把系数、常数、低阶也考虑进来。
3.比较次数和交换（或移动）次数
这一节和下一节讲的都是基于比较的排序算法。基于比较的排序算法的执行过程，会涉及两种操作，一种是元素比较大小，另一种是元素交换或移动。所以，如
果我们在分析排序算法的执行效率的时候，应该把比较次数和交换（或移动）次数也考虑进去。
排序算法的内存消耗
我们前面讲过，算法的内存消耗可以通过空间复杂度来衡量，排序算法也不例外。不过，针对排序算法的空间复杂度，我们还引入了一个新的概念，原地排
序（Sorted in place）。原地排序算法，就是特指空间复杂度是O(1)的排序算法。我们今天讲的三种排序算法，都是原地排序算法。
排序算法的稳定性
仅仅用执行效率和内存消耗来衡量排序算法的好坏是不够的。针对排序算法，我们还有一个重要的度量指标，稳定性。这个概念是说，如果待排序的序列中存在
值相等的元素，经过排序之后，相等元素之间原有的先后顺序不变。
我通过一个例子来解释一下。比如我们有一组数据 2 ， 9 ， 3 ， 4 ， 8 ， 3 ，按照大小排序之后就是 2 ， 3 ， 3 ， 4 ， 8 ， 9 。
这组数据里有两个3。经过某种排序算法排序之后，如果两个3的前后顺序没有改变，那我们就把这种排序算法叫作稳定的排序算法；如果前后顺序发生变化，那
对应的排序算法就叫作不稳定的排序算法。
你可能要问了，两个 3 哪个在前，哪个在后有什么关系啊，稳不稳定又有什么关系呢？为什么要考察排序算法的稳定性呢？
很多数据结构和算法课程，在讲排序的时候，都是用整数来举例，但在真正软件开发中，我们要排序的往往不是单纯的整数，而是一组对象，我们需要按照对象
的某个 key 来排序。
11|排序（上）：为什么插入排序比冒泡排序更受欢迎？
比如说，我们现在要给电商交易系统中的 “ 订单 ” 排序。订单有两个属性，一个是下单时间，另一个是订单金额。如果我们现在有 10 万条订单数据，我们希望按照
金额从小到大对订单数据排序。对于金额相同的订单，我们希望按照下单时间从早到晚有序。对于这样一个排序需求，我们怎么来做呢？
最先想到的方法是：我们先按照金额对订单数据进行排序，然后，再遍历排序之后的订单数据，对于每个金额相同的小区间再按照下单时间排序。这种排序思路
理解起来不难，但是实现起来会很复杂。
借助稳定排序算法，这个问题可以非常简洁地解决。解决思路是这样的：我们先按照下单时间给订单排序，注意是按照下单时间，不是金额。排序完成之后，我
们用稳定排序算法，按照订单金额重新排序。两遍排序之后，我们得到的订单数据就是按照金额从小到大排序，金额相同的订单按照下单时间从早到晚排序的。
为什么呢？
稳定排序算法可以保持金额相同的两个对象，在排序之后的前后顺序不变。第一次排序之后，所有的订单按照下单时间从早到晚有序了。在第二次排序中，我们
用的是稳定的排序算法，所以经过第二次排序之后，相同金额的订单仍然保持下单时间从早到晚有序。
进入正题
1.冒泡排序（ Bubble Sort ）
冒泡排序只会操作相邻的两个数据。每次冒泡操作都会对相邻的两个元素进行比较，看是否满足大小关系要求。如果不满足就让它俩互换。一次冒泡会让至少一
个元素移动到它应该在的位置，重复 n 次，就完成了 n 个数据的排序工作。

public void bubbleSort(int[] a, int n) {
        if (n <= 1) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            // 提前退出冒泡循环的标志位
            boolean flag = false;
            for (int j = 0; j < n - i - 1; ++j) {
                if (a[j] > a[j + 1]) { // 交换
                    int tmp = a[j];
                    a[j] = a[j + 1];
                    a[j + 1] = tmp;
                    flag = true; // 表示有数据交换
                }
            }
            if (!flag) {
                break; // 没有数据交换，提前退出
            }
        }
    }

2.插入排序（ Insertion Sort ）
首先，我们将数组中的数据分为两个区间，已排序区间和未排序区间。初始已排序区间只有一个元素，就是数组的第一个元素。插入算法的核心思想是取未排序
区间中的元素，在已排序区间中找到合适的插入位置将其插入，并保证已排序区间数据一直有序。重复这个过程，直到未排序区间中元素为空，算法结束。
如图所示，要排序的数据是 4 ， 5 ， 6 ， 1 ， 3 ， 2 ，其中左侧为已排序区间，右侧是未排序区间。

image.png
插入排序也包含两种操作，一种是元素的比较，一种是元素的移动。当我们需要将一个数据a插入到已排序区间时，需要拿a与已排序区间的元素依次比较大小，找到合适的插入位置。找到插入点之后，我们还需要将插入点之后的元素顺序往后移动一位，这样才能腾出位置给元素 插入。

static int[] insertSort(int arr[]) {
        if (arr.length <= 1) {
            return arr;
        }
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            int value = arr[i];
            int j = i - 1;
            for (; j >= 0; j--) {
                if (arr[j] > value) {
                    arr[j + 1] = arr[j];
                } else {
                    break;
                }
            }
            arr[j + 1] = value;
        }
        return arr;
    }

插入比冒泡性能更好的原因
我们前面分析冒泡排序和插入排序的时候讲到，冒泡排序不管怎么优化，元素交换的次数是一个固定值，是原始数据的逆序度。插入排序是同样的，不管怎么优
化，元素移动的次数也等于原始数据的逆序度。
但是，从代码实现上来看，冒泡排序的数据交换要比插入排序的数据移动要复杂，冒泡排序需要 3 个赋值操作，而插入排序只需要 1 个。我们来看这段操作：
冒泡排序中数据的交换操作：
if (a[j] > a[j+1]) { // 交换
int tmp = a[j];
a[j] = a[j+1];
a[j+1] = tmp;
flag = true;
}
插入排序中数据的移动操作：
if (a[j] > value) {
a[j+1] = a[j]; // 数据移动
} else {
break;
}
我们把执行一个赋值语句的时间粗略地计为单位时间（ unit_time ），然后分别用冒泡排序和插入排序对同一个逆序度是 K 的数组进行排序。用冒泡排序，需要 K 次
交换操作，每次需要 3 个赋值语句，所以交换操作总耗时就是 3*K 单位时间。而插入排序中数据移动操作只需要 K 个单位时间。
这个只是我们非常理论的分析，为了实验，针对上面的冒泡排序和插入排序的 Java 代码，我写了一个性能对比测试程序，随机生成 10000 个数组，每个数组中包
含 200 个数据，然后在我的机器上分别用冒泡和插入排序算法来排序，冒泡排序算法大约 700ms 才能执行完成，而插入排序只需要 100ms 左右就能搞定！
所以，虽然冒泡排序和插入排序在时间复杂度上是一样的，都是O(n 2 )，但是如果我们希望把性能优化做到极致，那肯定首选插入排序。插入排序的算法思路也有
很大的优化空间，我们只是讲了最基础的一种。如果你对插入排序的优化感兴趣，可以自行学习一下希尔排序。
选择排序（ Selection Sort ）
选择排序算法的实现思路有点类似插入排序，也分已排序区间和未排序区间。但是选择排序每次会从未排序区间中找到最小的元素，将其放到已排序区间的末
尾。

image.png
先，选择排序空间复杂度为O(1)，是一种原地排序算法。选择排序的最好情况时间复杂度、最坏情况和平均情况时间复杂度都为O(n 2 )。

static int[] selectSort(int arr[]) {
        if (arr.length <= 1) {
            return arr;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            int min = i;
            int j = i + 1;
            //未排序区找出最小
            for (; j < arr.length; j++) {
                if (arr[min] < arr[j]) {
                } else {
                    min = j;
                }
            }
            //交换
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[min];
            arr[i] = temp;

        }
        return arr;
    }