Метод пузырька c последовательный вывод. Пузырьковая сортировка и все-все-все. Усовершенствованный алгоритм сортировки пузырьком в Pascal

Расположим массив сверху вниз, от нулевого элемента - к последнему.

Идея метода: шаг сортировки состоит в проходе снизу вверх по массиву. По пути просматриваются пары соседних элементов. Если элементы некоторой пары находятся в неправильном порядке, то меняем их местами.

После нулевого прохода по массиву "вверху" оказывается самый "легкий" элемент - отсюда аналогия с пузырьком. Следующий проход делается до второго сверху элемента, таким образом второй по величине элемент поднимается на правильную позицию...

Делаем проходы по все уменьшающейся нижней части массива до тех пор, пока в ней не останется только один элемент. На этом сортировка заканчивается, так как последовательность упорядочена по возрастанию.

Template void bubbleSort(T a, long size) { long i, j; T x; for(i=0; i < size; i++) { // i - номер прохода for(j = size-1; j > i; j--) { // внутренний цикл прохода if (a > a[j]) { x=a; a=a[j]; a[j]=x; } } } }

Среднее число сравнений и обменов имеют квадратичный порядок роста: Theta(n 2), отсюда можно заключить, что алгоритм пузырька очень медленен и малоэффективен.
Тем не менее, у него есть громадный плюс: он прост и его можно по-всякому улучшать. Чем мы сейчас и займемся.

Во-первых, рассмотрим ситуацию, когда на каком-либо из проходов не произошло ни одного обмена. Что это значит?

Это значит, что все пары расположены в правильном порядке, так что массив уже отсортирован. И продолжать процесс не имеет смысла(особенно, если массив был отсортирован с самого начала!).

Итак, первое улучшение алгоритма заключается в запоминании, производился ли на данном проходе какой-либо обмен. Если нет - алгоритм заканчивает работу.

Процесс улучшения можно продолжить, если запоминать не только сам факт обмена, но и индекс последнего обмена k. Действительно: все пары соседих элементов с индексами, меньшими k, уже расположены в нужном порядке. Дальнейшие проходы можно заканчивать на индексе k, вместо того чтобы двигаться до установленной заранее верхней границы i.

Качественно другое улучшение алгоритма можно получить из следующего наблюдения. Хотя легкий пузырек снизу поднимется наверх за один проход, тяжелые пузырьки опускаются со минимальной скоростью: один шаг за итерацию. Так что массив 2 3 4 5 6 1 будет отсортирован за 1 проход, а сортировка последовательности 6 1 2 3 4 5 потребует 5 проходов.

Чтобы избежать подобного эффекта, можно менять направление следующих один за другим проходов. Получившийся алгоритм иногда называют "шейкер-сортировкой ".

Template void shakerSort(T a, long size) { long j, k = size-1; long lb=1, ub = size-1; // границы неотсортированной части массива T x; do { // проход снизу вверх for(j=ub; j>0; j--) { if (a > a[j]) { x=a; a=a[j]; a[j]=x; k=j; } } lb = k+1; // проход сверху вниз for (j=1; j<=ub; j++) { if (a > a[j]) { x=a; a=a[j]; a[j]=x; k=j; } } ub = k-1; } while (lb < ub); }

Насколько описанные изменения повлияли на эффективность метода? Среднее количество сравнений, хоть и уменьшилось, но остается O(n 2), в то время как число обменов не поменялось вообще никак. Среднее(оно же худшее) количество операций остается квадратичным.

Дополнительная память, очевидно, не требуется. Поведение усовершенствованного (но не начального) метода довольно естественное, почти отсортированный массив будет отсортирован намного быстрее случайного. Сортировка пузырьком устойчива, однако шейкер-сортировка утрачивает это качество.

На практике метод пузырька, даже с улучшениями, работает, увы, слишком медленно. А потому - почти не применяется.

Метод пузырька

Сортировка простыми обменами , сортиро́вка пузырько́м (англ. bubble sort ) - простой алгоритм сортировки . Для понимания и реализации этот алгоритм - простейший, но эффективен он лишь для небольших массивов. Сложность алгоритма: O(n ²).

Алгоритм считается учебным и практически не применяется вне учебной литературы, вместо него на практике применяется сортировка вставками .

Алгоритм

Пример сортировки пузырьком списка случайных чисел.

Алгоритм состоит в повторяющихся проходах по сортируемому массиву. За каждый проход элементы последовательно сравниваются попарно и, если порядок в паре неверный, выполняется обмен элементов. Проходы по массиву повторяются до тех пор, пока на очередном проходе не окажется, что обмены больше не нужны, что означает - массив отсортирован. При проходе алгоритма, элемент, стоящий не на своём месте, «всплывает» до нужной позиции как пузырёк в воде, отсюда и название алгоритма.

Иногда на каждом шаге массив просматривается то с начала, то с конца. Это называется шейкерная сортировка .

Примеры реализации

Python

Def swap(arr, i, j) : arr[ i] , arr[ j] = arr[ j] , arr[ i] def bubble_sort(arr) : i = len (arr) while i > 1 : for j in xrange (i - 1 ) : if arr[ j] > arr[ j + 1 ] : swap(arr, j, j + 1 ) i -= 1

VBA

Sub Sort(Mus() As Long ) Dim n As Long , i As Long , tmp As Long i = 1 Do While (i < UBound (Mus) ) If Mus(i) > Mus(i + 1 ) Then tmp = Mus(i) Mus(i) = Mus(i + 1 ) Mus(i + 1 ) = tmp If i > 1 Then i = i - 1 Else i = i + 1 End If Else i = i + 1 End If Loop End Sub

Усовершенствованный алгоритм сортировки пузырьком в Pascal

P:=True ; {Перестановка есть} K:=1 ; {Номер просмотра} While P Do Begin P:=false ; For i:=1 To n-k Do If X[ i] > X[ i+1 ] Then Begin A:=X[ i] ; X[ i] :=X[ i+1 ] ; X[ i+1 ] :=A; P:=true ; End ; k:=k+1 ; End ;

PHP

$size = count ($arr ) -1 ; for ($i = $size ; $i >=0 ; $i --) { for ($j = 0 ; $j <=($i -1 ) ; $j ++) if ($arr [ $j ] >$arr [ $j +1 ] ) { $k = $arr [ $j ] ; $arr [ $j ] = $arr [ $j +1 ] ; $arr [ $j +1 ] = $k ; } }

Не только не считается самым быстрым методом, более того, она замыкает перечень самых медленных способов упорядочивания. Однако и у нее есть свои плюсы. Так, сортировка методом пузырька - самое что ни на есть логичное и естественное решение проблемы, если необходимо расставить элементы в определенном порядке. Обычный человек вручную, к примеру, воспользуется именно им - просто по интуиции.

Откуда взялось такое необычное название?

Название метода придумали, используя аналогию с воздушными пузырьками в воде. Это метафора. Подобно тому, как маленькие пузыри воздуха поднимаются наверх - ведь их плотность больше, чем какой-либо жидкости (в данном случае - воды), так и каждый элемент массива, чем меньше он по значению, тем больше он постепенно пробирается к началу перечня чисел.

Описание алгоритма

Сортировка пузырьком выполняется следующим образом:

первый проход: элементы массива чисел берутся по два и также парами сравниваются. Если в какой-то двойке элементов первое значение оказывается больше второго, программа производит их обмен местами;
следовательно, попадает в конец массива. В то время как все остальные элементы остаются, как и были, в хаотичном порядке и требуют еще сортировки;
поэтому и необходим второй проход: производится он по аналогии с предыдущим (уже описанным) и имеет число сравнений - минус один;
у прохода номер три сравнений на единицу меньше, чем у второго, и на двойку, чем у первого. И так далее;
подытожим, что каждый проход имеет (всего значений в массиве, конкретное число) минус (номер прохода) сравнений.

Еще короче алгоритм будущей программы можно записать так:

массив чисел проверяется до тех пор, пока не будут найдены какие-либо два числа, причем второе из них обязано быть больше первого;
неправильно расположенные по отношению друг к другу элементы массива программа меняет местами.

Псевдокод на основе описанного алгоритма

Самая простая реализация выполняется так:

Процедура Sortirovka_Puzirkom ;

Начало

цикл для j от nachalnii_index до konechii_index ;

цикл для i от nachalnii_index до konechii_index-1 ;

если massiv[i]>massiv

(меняем значения местами);

Конец

Конечно, здесь простота только усугубляет ситуацию: чем проще алгоритм, тем более в нем проявляются все недостатки. Затратность времени слишком велика даже для небольшого массива (тут вступает в дело относительность: для обывателя количество времени может казаться маленьким, но в деле программиста каждая секунда или даже миллисекунда на счету).

Потребовалась реализация получше. Например, учитывающая обмен значений в массиве местами:

Процедура Sortirovka_Puzirkom ;

Начало

sortirovka = истина;

цикл пока sortirovka = истина;

sortirovka = ложь;

цикл для i от nachalnii_index до konechii_index-1 ;

если massiv[i]>massiv (первый элемент больше второго), то:

(меняем элементы местами);

sortirovka = истина; (обозначили, что обмен был произведен).

Конец.

Недостатки метода

Основной минус - продолжительность процесса. Сколько же времени выполняется пузырьком?

Время выполнения рассчитывается из квадрата количества чисел в массиве - конечный результат ему пропорционален.

При наихудшем варианте массив будет пройден столько же раз, сколько в нем имеется элементов минус одно значение. Так происходит потому, что в конечном итоге остается только один элемент, который не с чем сравнивать, и последний проход по массиву становится бесполезным действом.

Кроме того, эффективен метод сортировки простыми обменами, как его еще называют, только для массивов небольшого размера. Большие объемы данных с его помощью обработать не получится: результатом станут либо ошибки, либо сбой работы программы.

Достоинства

Сортировка пузырьком весьма проста для понимания. В учебных программах технических ВУЗов при изучении упорядочивания элементов массива ее проходят в первую очередь. Метод легко реализуется как на языке программирования Delphi (Д (Делфи), так и на C/C++ (Си/Си плюс плюс), невероятно простой алгоритм расположения значений в верном порядке и на Сортировка пузырьком идеально подходит для начинающих.

По причине недостатков алгоритм не применяют во внеучебных целях.

Наглядный принцип сортировки

Изначальный вид массива 8 22 4 74 44 37 1 7

Шаг 1 8 22 4 74 44 37 1 7

8 22 4 74 44 1 37 7

8 22 4 74 1 44 37 7

8 22 4 1 74 44 37 7

8 22 1 4 74 44 37 7

8 1 22 4 74 44 37 7

1 8 22 4 74 44 37 7

Шаг 2 1 8 22 4 74 44 7 37

1 8 22 4 74 7 44 37

1 8 22 4 7 74 44 37

1 8 4 22 7 74 44 37

1 4 8 22 7 74 44 37

Шаг 3 1 4 8 22 7 74 37 44

1 4 8 22 7 37 74 44

1 4 8 7 22 37 74 44

1 4 7 8 22 37 74 44

Шаг 4 1 4 7 8 22 37 44 74

1 4 7 8 22 37 44 74

Шаг 5 1 4 7 8 22 37 44 74

1 4 7 8 22 37 44 74

Шаг 6 1 4 7 8 22 37 44 74

1 4 7 8 22 37 44 74

Шаг 7 1 4 7 8 22 37 44 74

Пример сортировки пузырьком на языке Pascal

Пример:

const kol_mas=10;

var massiv:array of integer;

a, b, k: integer;

writeln ("input", kol_mas, "elements of array");

for a:=1 to kol_mas do readln(massiv[a]);

for a:=1 to kol_mas-1 do begin

for b:=a+1 to kol_mas do begin

if massiv[a]>massiv[b] then begin

k:=massiv[a]; massiv[a]:=massiv[b]; massiv[b]:=k;

end;

writeln ("after sort");

for a:=1 to kol_mas do writeln(massiv[a]);

Пример сортировки пузырьком на языке С (Си)

#include

int main(int argc, char* argv)

int massiv = {36, 697, 73, 82, 68, 12, 183, 88},i, ff;

for (; ;){

ff = 0;

for (i = 7; i>0; i--){

if (massiv[i] < massiv) {

swap (massiv[i],massiv);

if (ff == 0) break;

getch(); // задержка экрана

Теги: Сортировка пузырьком си, си пузырьковая сортировка, сортировка пузырьком двумерного массива

Сортировка пузырьком

И дея алгоритма очень простая. Идём по массиву чисел и проверяем порядок (следующее число должно быть больше и равно предыдущему), как только наткнулись на нарушение порядка, тут же обмениваем местами элементы, доходим до конца массива, после чего начинаем сначала.

Отсортируем массив {1, 5, 2, 7, 6, 3}
Идём по массиву, проверяем первое число и второе, они идут в порядке возрастания. Далее идёт нарушение порядка, меняем местами эти элементы
1, 2, 5, 7, 6, 3
Продолжаем идти по массиву, 7 больше 5, а вот 6 меньше, так что обмениваем из местами
1, 2, 5, 6, 7, 3
3 нарушает порядок, меняем местами с 7
1, 2, 5, 6, 3, 7
Возвращаемся к началу массива и проделываем то же самое

1, 2, 5, 3, 6, 7
1, 2, 3, 5, 6, 7

Говорят, что это похоже на "всплытие" более "лёгких" элементов, как пузырьков, отчего алгоритм и получил такое название. void bubbleSort(int *a, size_t size) { size_t i, j; int tmp; for (i = 1; i < size; i++) { for (j = 1; j < size; j++) { if (a[j] > a) { tmp = a[j]; a[j] = a; a = tmp; } } } }

Этот алгоритм всегда будет делать (n-1) 2 шагов, независимо от входных данных. Даже если массив отсортирован, всё равно он будет пройден (n-1) 2 раз. Более того, будут в очередной раз проверены уже отсортированные данные.

Пусть нужно отсортировать массив 1, 2, 4, 3

1 2 4 3
1 2 4 3
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4

После того, как были поменяны местами элемента a и a нет больше необходимости проходить этот участок массива. Примем это во внимание и переделаем алгоритм

Void bubbleSort2(int *a, size_t size) { size_t i, j; int tmp; for (i = 1; i < size; i++) { for (j = i; j > 0; j--) { if (a[j] < a) { tmp = a[j]; a[j] = a; a = tmp; } } } }

Ещё одна реализация

Void bubbleSort2b(int *a, size_t size) { size_t i, j; int tmp; for (i = 1; i < size; i++) { for (j = 1; j <= size-i; j++) { if (a[j] < a) { tmp = a[j]; a[j] = a; a = tmp; } } } }

В данном случае будет уже вполовину меньше шагов, но всё равно остаётся проблема сортировки уже отсортированного массива: нужно сделать так, чтобы отсортированный массив функция просматривала один раз. Для этого введём переменную-флаг: он будет опущен (flag = 0), если массив отсортирован. Как только мы наткнёмся на нарушение порядка, то флаг будет поднят (flag = 1) и мы начнём сортировать массив как обычно.

Void bubbleSort3(int *a, size_t size) { size_t i; int tmp; char flag; do { flag = 0; for (i = 1; i < size; i++) { if (a[i] < a) { tmp = a[i]; a[i] = a; a = tmp; flag = 1; } } } while (flag); }

В этом случае сложность также порядка n 2 , но в случае отсортированного массива будет всего один проход.

Теперь усовершенствуем алгоритм. Напишем функцию общего вида, чтобы она сортировала массив типа void. Так как тип переменной не известен, то нужно будет дополнительно передавать размер одного элемента массива и функцию сравнения.

Int intSort(const void *a, const void *b) { return *((int*)a) > *((int*)b); } void bubbleSort3g(void *a, size_t item, size_t size, int (*cmp)(const void*, const void*)) { size_t i; void *tmp = NULL; char flag; tmp = malloc(item); do { flag = 0; for (i = 1; i < size; i++) { if (cmp(((char*)a + i*item), ((char*)a + (i-1)*item))) { memcpy(tmp, ((char*)a + i*item), item); memcpy(((char*)a + i*item), ((char*)a + (i-1)*item), item); memcpy(((char*)a + (i-1)*item), tmp, item); flag = 1; } } } while (flag); free(tmp); }

Функция выглядит некрасиво – часто вычисляется адрес текущего и предыдущего элемента. Выделим отдельные переменные для этого.

Void bubbleSort3gi(void *a, size_t item, size_t size, int (*cmp)(const void*, const void*)) { size_t i; void *tmp = NULL; void *prev, *cur; char flag; tmp = malloc(item); do { flag = 0; i = 1; prev = (char*)a; cur = (char*)prev + item; while (i < size) { if (cmp(cur, prev)) { memcpy(tmp, prev, item); memcpy(prev, cur, item); memcpy(cur, tmp, item); flag = 1; } i++; prev = (char*)prev + item; cur = (char*)cur + item; } } while (flag); free(tmp); }

Теперь с помощью этих функций можно сортировать массивы любого типа, например

Void main() { int a = {1, 0, 9, 8, 7, 6, 2, 3, 4, 5}; int i; bubbleSort3gi(a, sizeof(int), 10, intSort); for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", a[i]); } _getch(); }

Сортировка многомерного массива

С ортировка статического многомерного массива по существу не отличается от сортировки одномерного. Можно воспользоваться тем свойством, что статический одномерный и многомерный массивы имеют одинаковое представление в памяти.

Void main() { int a = {1, 9, 2, 8, 3, 7, 4, 6, 5}; int i, j; bubbleSort3gi(a, sizeof(int), 9, intSort); for (i = 0; i < 3; i++) { for (j = 0; j < 3; j++) { printf("%d ", a[i][j]); } } } Сортировка динамически созданного двумерного массива может быть произведена двумя способами. Во-первых, можно по определённому алгоритму находить индекс i-го и j-го элемента по порядковому номеру k от 0 до n * m. #include #include #include #include void bubbleSort2d(int **a, size_t m, size_t n) { int tmp; size_t i, j, k, jp, ip; size_t size = m*n; char flag; do { flag = 0; for (k = 1; k < size; k++) { //Вычисляем индексы текущего элемента j = k / m; i = k - j*m; //Вычисляем индексы предыдущего элемента jp = (k-1) / m; ip = (k-1) - jp*m; if (a[i][j] > a) { tmp = a[i][j]; a[i][j] = a; a = tmp; flag = 1; } } } while(flag); } #define SIZE_X 3 #define SIZE_Y 4 void main() { int **a = NULL; int i, j; a = (int**) malloc(sizeof(int*) * SIZE_X); for (i = 0; i < SIZE_X; i++) { a[i] = (int*) malloc(sizeof(int) * SIZE_Y); for (j = 0; j < SIZE_Y; j++) { a[i][j] = rand(); printf("%8d ", a[i][j]); } printf("\n"); } printf("\nafter sort\n"); bubbleSort2d(a, SIZE_X, SIZE_Y); for (i = 0; i < SIZE_X; i++) { for (j = 0; j < SIZE_Y; j++) { printf("%8d ", a[i][j]); } printf("\n"); } for (i = 0; i < SIZE_X; i++) { free(a[i]); } free(a); _getch(); }

Во-вторых, можно сначала переместить массив в одномерный, отсортировать одномерный массив, после чего переместить его обратно в двумерный.

Void bubbleSort3gi2d(void **a, size_t item, size_t m, size_t n, int (*cmp)(const void*, const void*)) { size_t size = m*n, sub_size = n*item; size_t i, j, k; void *arr = malloc(size * item); char *p1d = (char*)arr; char *p2d = (char*)a; //Копируем двумерный массив типа void в одномерный for (i = 0; i < m; i++) { memcpy(p1d + i*sub_size, *((void**)(p2d + i*item)), sub_size); } bubbleSort3gi(arr, item, size, cmp); //Копируем одномерный массив обратно в двумерный for (i = 0; i < m; i++) { memcpy(*((void**)(p2d + i*item)), p1d + i*sub_size, sub_size); } }

Если вас смущает эта функция, то воспользуйтесь типизированной. Вызов, из предыдущего примера

Было подсчитано, что до четверти времени централизованных компьютеров уделяется сортировке данных. Это потому, что намного легче найти значение в массиве, который был заранее отсортирован. В противном случае поиск немного походит на поиск иголки в стоге сена.

Есть программисты, которые всё рабочее время проводят в изучении и внедрении алгоритмов сортировки. Это потому, что подавляющее большинство программ в бизнесе включает в себя управление базами данных. Люди ищут информацию в базах данных всё время. Это означает, что поисковые алгоритмы очень востребованы.

Но есть одно "но". Поисковые алгоритмы работают намного быстрее с базами данных, которые уже отсортированы. В этом случае требуется только линейный поиск.

В то время как компьютеры находятся без пользователей в некоторые моменты времени, алгоритмы сортировки продолжают работать с базами данных. Снова приходят пользователи, осуществляющие поиск, а база данных уже отсортирована, исходя из той или иной цели поиска.

В этой статье приведены примеры реализации стандартных алгоритмов сортировки.

Сортировка выбором (Selection sort)

Для того, чтобы отсортировать массив в порядке возрастания, следует на каждой итерации найти элемент с наибольшим значением. С ним нужно поменять местами последний элемент. Следующий элемент с наибольшим значением становится уже на предпоследнее место. Так должно происходить, пока элементы, находящиеся на первых местах в массивe, не окажутся в надлежащем порядке.

Код C++

void SortAlgo::selectionSort(int data, int lenD) { int j = 0; int tmp = 0; for (int i=0; idata[k]){ j = k; } } tmp = data[i]; data[i] = data[j]; data[j] = tmp; } }

Пузырьковая сортировка (Bubble sort)

При пузырьковой сортировке сравниваются соседние элементы и меняются местами, если следующий элемент меньше предыдущего. Требуется несколько проходов по данным. Во время первого прохода сраваются первые два элемента в массиве. Если они не в порядке, они меняются местами и затем сравнивается элементы в следующей паре. При том же условии они так же меняются местами. Таким образом сортировка происходит в каждом цикле пока не будет достигнут конец массива.

Код C++

void SortAlgo::bubbleSort(int data, int lenD) { int tmp = 0; for (int i = 0;i=(i+1);j--){ if (data[j]

Сортировка вставками (Insertion sort)

При сортировке вставками массив разбивается на две области: упорядоченную и и неупорядоченную. Изначально весь массив является неупорядоченной областью. При первом проходе первый элемент из неупорядоченной области изымается и помещается в правильном положении в упорядоченной области.

На каждом проходе размер упорядоченной области возрастает на 1, а размер неупорядоченной области сокращается на 1.

Основной цикл работает в интервале от 1 до N-1. На j-й итерации элемент [i] вставлен в правильное положение в упорядоченной области. Это сделано путем сдвига всех элементов упорядоченной области, которые больше, чем [i], на одну позицию вправо. [i] вставляется в интервал между теми элементами, которые меньше [i], и теми, которые больше [i].

Код C++

void SortAlgo::insertionSort(int data, int lenD) { int key = 0; int i = 0; for (int j = 1;j=0 && data[i]>key){ data = data[i]; i = i-1; data=key; } } }

Сортировка слиянием (Merge sort)

Код C++

void SortAlgo::mergeSort(int data, int lenD) { if (lenD>1){ int middle = lenD/2; int rem = lenD-middle; int * L = new int ; int * R = new int ; for (int i=0;i

Быстрая сортировка (Quick sort)

Быстрая сортировка использует алгоритм "разделяй и властвуй". Она начинается с разбиения исходного массива на две области. Эти части находятся слева и справа от отмеченного элемента, называемого опорным. В конце процесса одна часть будет содержать элементы меньшие, чем опорный, а другая часть будет содержать элементы больше опорного.

Код C++

void SortAlgo::quickSort(int * data, int const len) { int const lenD = len; int pivot = 0; int ind = lenD/2; int i,j = 0,k = 0; if (lenD>1){ int * L = new int ; int * R = new int ; pivot = data; for (i=0;i