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# 冒泡排序
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「冒泡排序 Bubble Sort」的工作原理类似于泡泡在水中的浮动。在水中,较大的泡泡会最先浮到水面。
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「冒泡排序 Bubble Sort」通过连续地比较与交换相邻元素实现排序。这个过程就像气泡从底部升到顶部一样,因此得名冒泡排序。
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「冒泡操作」利用元素交换操作模拟了上述过程,具体做法为:从数组最左端开始向右遍历,依次比较相邻元素大小,如果“左元素 > 右元素”就交换它俩。遍历完成后,最大的元素会被移动到数组的最右端。
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**在完成一次冒泡操作后,数组的最大元素已位于正确位置,接下来只需对剩余 $n - 1$ 个元素进行排序**。
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我们可以利用元素交换操作模拟上述过程:从数组最左端开始向右遍历,依次比较相邻元素大小,如果“左元素 > 右元素”就交换它俩。遍历完成后,最大的元素会被移动到数组的最右端。
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=== "<1>"
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![冒泡操作步骤](bubble_sort.assets/bubble_operation_step1.png)
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![利用元素交换操作模拟冒泡](bubble_sort.assets/bubble_operation_step1.png)
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=== "<2>"
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![bubble_operation_step2](bubble_sort.assets/bubble_operation_step2.png)
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## 算法流程
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设输入数组长度为 $n$ ,整个冒泡排序的步骤为:
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设输入数组长度为 $n$ ,冒泡排序的步骤为:
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1. 完成第一轮「冒泡」后,数组的最大元素已位于正确位置,接下来只需对剩余 $n - 1$ 个元素进行排序;
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2. 对剩余 $n - 1$ 个元素执行冒泡操作,可将第二大元素交换至正确位置,因而待排序元素只剩 $n - 2$ 个;
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3. 如此类推,经过 $n - 1$ 轮冒泡操作,整个数组便完成排序;
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1. 首先,对 $n$ 个元素执行“冒泡”,**将数组的最大元素交换至正确位置**,
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2. 接下来,对剩余 $n - 1$ 个元素执行“冒泡”,**将第二大元素交换至正确位置**。
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3. 以此类推,经过 $n - 1$ 轮“冒泡”后,**前 $n - 1$ 大的元素都被交换至正确位置**。
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4. 仅剩的一个元素必定是最小元素,无需排序,因此数组排序完成。
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![冒泡排序流程](bubble_sort.assets/bubble_sort_overview.png)
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[class]{}-[func]{bubbleSort}
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## 算法特性
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**时间复杂度 $O(n^2)$** :各轮冒泡遍历的数组长度依次为 $n - 1$ , $n - 2$ , $\cdots$ , $2$ , $1$ ,总和为 $\frac{(n - 1) n}{2}$ ,因此使用 $O(n^2)$ 时间。在引入下文的 `flag` 优化后,最佳时间复杂度可达到 $O(n)$ ,所以它是“自适应排序”。
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**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间,因此是“原地排序”。
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由于冒泡操作中遇到相等元素不交换,因此冒泡排序是“稳定排序”。
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## 效率优化
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我们发现,如果某轮冒泡操作中没有执行任何交换操作,说明数组已经完成排序,可直接返回结果。因此,可以增加一个标志位 `flag` 来监测这种情况,一旦出现就立即返回。
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我们发现,如果某轮“冒泡”中没有执行任何交换操作,说明数组已经完成排序,可直接返回结果。因此,可以增加一个标志位 `flag` 来监测这种情况,一旦出现就立即返回。
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经过优化,冒泡排序的最差和平均时间复杂度仍为 $O(n^2)$ ;但当输入数组完全有序时,可达到最佳时间复杂度 $O(n)$ 。
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@ -170,3 +161,11 @@
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```zig title="bubble_sort.zig"
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[class]{}-[func]{bubbleSortWithFlag}
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```
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## 算法特性
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各轮“冒泡”遍历的数组长度依次为 $n - 1$ , $n - 2$ , $\cdots$ , $2$ , $1$ ,总和为 $\frac{(n - 1) n}{2}$ ,**因此时间复杂度为 $O(n^2)$** 。在引入 `flag` 优化后,最佳时间复杂度可达到 $O(n)$ ,**是“自适应排序”**。
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指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间,**因此空间复杂度为 $O(1)$ ,是“原地排序”**。
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由于在“冒泡”中遇到相等元素不交换,**因此冒泡排序是“稳定排序”**。
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