冒泡排序的算法分析与改进

 

交换排序的基本思想是：两两比较待排序记录的关键字，发现两个记录的次序相反时即进行交换，直到没有反序的记录为止。
　应用交换排序基本思想的主要排序方法有：冒泡排序和快速排序。

冒泡排序

1、排序方法
　将被排序的记录数组r[1..n]垂直排列，每个记录r[i]看作是重量为r[i].key的气泡。根据轻气泡不能在重气泡之下的原则，从下往上扫描数组r：凡扫描到违反本原则的轻气泡，就使其向上"飘浮"。如此反复进行，直到最后任何两个气泡都是轻者在上，重者在下为止。
（1）初始
　 r[1..n]为无序区。

（2）第一趟扫描
　 从无序区底部向上依次比较相邻的两个气泡的重量，若发现轻者在下、重者在上，则交换二者的位置。即依次比较(r[n]，r[n-1])，(r[n-1]，r[n-2])，…，(r[2]，r[1])；对于每对气泡(r[j+1]，r[j])，若r[j+1].key<r[j].key，则交换r[j+1]和r[j]的内容。
　第一趟扫描完毕时，"最轻"的气泡就飘浮到该区间的顶部，即关键字最小的记录被放在最高位置r[1]上。

（3）第二趟扫描
　 扫描r[2..n]。扫描完毕时，"次轻"的气泡飘浮到r[2]的位置上……
　最后，经过n-1 趟扫描可得到有序区r[1..n]
注意：
　 第i趟扫描时，r[1..i-1]和r[i..n]分别为当前的有序区和无序区。扫描仍是从无序区底部向上直至该区顶部。扫描完毕时，该区中最轻气泡飘浮到顶部位置r[i]上，结果是r[1..i]变为新的有序区。

2、冒泡排序过程示例
　对关键字序列为4Array 38 65 Array7 76 13 27 4Array的文件进行冒泡排序的过程【参见动画演示】

3、排序算法
（1）分析
　因为每一趟排序都使有序区增加了一个气泡，在经过n-1趟排序之后，有序区中就有n-1个气泡，而无序区中气泡的重量总是大于等于有序区中气泡的重量，所以整个冒泡排序过程至多需要进行n-1趟排序。
　若在某一趟排序中未发现气泡位置的交换，则说明待排序的无序区中所有气泡均满足轻者在上，重者在下的原则，因此，冒泡排序过程可在此趟排序后终止。为此，在下面给出的算法中，引入一个布尔量exchange，在每趟排序开始前，先将其置为false。若排序过程中发生了交换，则将其置为true。各趟排序结束时检查exchange，若未曾发生过交换则终止算法，不再进行下一趟排序。

（2）具体算法
void bubblesort(seqlist r)
{ //r（l..n)是待排序的文件，采用自下向上扫描，对r做冒泡排序
int i，j；
boolean exchange； //交换标志
for(i=1;i<n;i++){ //最多做n-1趟排序
exchange=false； //本趟排序开始前，交换标志应为假
for(j=n-1;j>=i；j--) //对当前无序区r[i..n]自下向上扫描
if(r[j+1].key<r[j].key){//交换记录
r[0]=r[j+1]； //r[0]不是哨兵，仅做暂存单元
r[j+1]=r[j]；
r[j]=r[0]；
exchange=true； //发生了交换，故将交换标志置为真
}
if(!exchange) //本趟排序未发生交换，提前终止算法
return；
} //endfor(外循环)
} //bubblesort
4、算法分析
（1）算法的最好时间复杂度
　若文件的初始状态是正序的，一趟扫描即可完成排序。所需的关键字比较次数c和记录移动次数m均达到最小值：
cmin=n-1
mmin=0。
　冒泡排序最好的时间复杂度为o(n)。

（2）算法的最坏时间复杂度
　若初始文件是反序的，需要进行n-1趟排序。每趟排序要进行n-i次关键字的比较(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：
cmax=n(n-1)/2=o(n2)
mmax=3n(n-1)/2=o(n2)
　冒泡排序的最坏时间复杂度为o(n2)。

（3）算法的平均时间复杂度为o(n2)
　虽然冒泡排序不一定要进行n-1趟，但由于它的记录移动次数较多，故平均时间性能比直接插入排序要差得多。

（4）算法稳定性
　冒泡排序是就地排序，且它是稳定的。

5、算法改进
　上述的冒泡排序还可做如下的改进：
(1)记住最后一次交换发生位置lastexchange的冒泡排序
　　在每趟扫描中，记住最后一次交换发生的位置lastexchange，（该位置之前的相邻记录均已有序）。下一趟排序开始时，r[1..lastexchange-1]是有序区，r[lastexchange..n]是无序区。这样，一趟排序可能使当前有序区扩充多个记录，从而减少排序的趟数。具体算法【参见习题】。

(2) 改变扫描方向的冒泡排序
①冒泡排序的不对称性
　　能一趟扫描完成排序的情况：
　只有最轻的气泡位于r[n]的位置，其余的气泡均已排好序，那么也只需一趟扫描就可以完成排序。
【例】对初始关键字序列12，18，42，44，45，67，Array4，10就仅需一趟扫描。
需要n-1趟扫描完成排序情况：
　 当只有最重的气泡位于r[1]的位置，其余的气泡均已排好序时，则仍需做n-1趟扫描才能完成排序。
【例】对初始关键字序列：Array4，10，12，18，42，44，45，67就需七趟扫描。

②造成不对称性的原因
　　每趟扫描仅能使最重气泡"下沉"一个位置，因此使位于顶端的最重气泡下沉到底部时，需做n-1趟扫描。

③改进不对称性的方法
　在排序过程中交替改变扫描方向，可改进不对称性。