1.1排序——插入:为什么要先讲排序

排序是一个很有趣的问题,我觉得大家可以思考一下,为什么大多数算法书籍都会把排序放在很靠前的位置呢。我觉得,是因为排序可以引出很多和算法有关的知识。

当你开始接触排序算法时,(只要不是课本)一般第一个和第二个算法总是插入、选择排序。为什么呢,因为他们的时间复杂度很好分析。

那我们先来看看插入排序。

插入排序(InsertionSort)之所以得名,就是因为该算法每次把一个元素插入此元素之前的某一个合适位置。记得CLRS还用了扑克牌整理的例子,感觉好可爱啊。

于是,我们就会这样描述这个算法:假设想要排出一个增序序列,对第2个元素做Insert,元素2是否小于第1个,是的话,插入到第一个之前,否则不变,排好序;对第3个元素Insert,是否小于第2个,是→插入第2个之前。是否小于第1个,是→插入第1个之前,排好序;······;对最后一个元素做Insert,排好序。

所以,插入排序就有一个特点:在对第n个元素做插入算法时,其前n-1个元素已经排好了序。那么当我们做Insert时,就需要注意一点:当我们的目标元素不满足条件时,我们的判断就应该立刻终止,不应该继续做无用功。

那么,我们来用c语言实现一下该算法:

void InsertionSort( ElementType A[ ], int N)  //ElementType是指元素的类型,比如int,float等;N是元素总个数
{
        int i, j;
        ElementType tmp;  //使用tmp保存执行插入元素的值,当然也可以不用
        for( i = 1; i < N; ++i )
        {
                tmp = A[ i ];  
                for( j = i; j > 0 && tmp < A[ j - 1 ]; --j )  //比较tmp之前所有值和它的大小
                        A[ j - 1 ] = A[ j ];  //把符合条件的(就是比tmp大的)向后移动一位
                A[ j ] = tmp;  //把tmp的值移动到停止的那一位上
        }
}

在有注释的情况下其实很好阅读了,那么我们分析几个功能,首先,

tmp < A[ j - 1 ]

这里因为我们把控制比较的元素设为 j , j 因为是从i开始的,故我们一开始就让 tmp 和 A[j-1] 比较,若是符合比较的条件,则把 A[j-1] 后移一位,然后 j 自减1。因为tmp始终是和 A[j-1] 比较,也就是说,最后 tmp 所放置的位置是不满足条件的 A[j-1] 的前一个位置。这样就很巧妙了。

BTW,其实也可以让 j 一开始就等于 i-1,那么,代码要怎样改写呢,请大家自己写一下,因为很方便检测,我就不说了。(hint,可以看看CLRS,此书就是用的这种逻辑,但是在实现的时候有个问题,就是 j 有可能会减到-1,如果用size_t控制j的类型的话,会出错~)

现在让我们来聊2个c/c++的语法问题。第一个是for循环。我想大家都知道,如果for循环不满足条件,是会结束的吧。那么也请大家不要忘记了,

for( j = i; j > 0 && tmp < A[ j - 1 ]; --j )

tmp < A[ j - 1 ]不满足时,循环也会立刻结束,千万别臆想成:直到j>0不满足了才stop。为什么要说这个呢,因为在选择排序中,我们需要程序一直判断,而不是不满足就立刻停下。

第2个是这个ElementType。因为我们不知道我们所求的数组是什么类型,所以我们将其称作“元素类型”。在c++的实现中,为了避免这种很“伪代码”的写法,我们有2种做法,一是函数重载。比如我们想要算法满足int,double类型的计算,则可以有如下声明:

void InsertSort( int A[ ], int N );
void InsertSort( double A[ ], int N );

重载需要注意的问题是,不允许重载只有返回类型不同的函数。

第二个做法,就是泛型了。泛型用起来是有点难的,和java相比。那么我们简单了解下本问题的泛型好了。

c++泛型函数模板的方法:

template <typename T> void InsertSort( T A[ ], int N )
{
     ...
    T tmp = A[ i ]; //或者 auto tmp = A [ i ];
    ...
}

然后直接调用就可以了。因为编译器会帮你自动实例化.

然后简单说下其时间复杂度。如果序列是顺序的,则内部循环每次只执行一次,是T(1)的,所以O()=T(n)*T(1)=O(n);若最差(反序),则内部分别需要比较和移动1,2,···,n-1次,所以共O(n2)次;对于平均情况,假设一半顺序一半逆序,则依然是O(n2)。

真是没有想到,一个插入排序就能写这么多······本来想把插入,选择,希尔排序一起写了,那就下次再写吧~

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