数据结构和算法(Golang实现)(19)排序算法-冒泡排序

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冒泡排序

冒泡排序是大多数人学的第一种排序算法，在面试中，也是问的最多的一种，有时候还要求手写排序代码，因为比较简单。

冒泡排序属于交换类的排序算法。

一、算法介绍

现在有一堆乱序的数，比如：5 9 1 6 8 14 6 49 25 4 6 3。

第一轮迭代：从第一个数开始，依次比较相邻的两个数，如果前面一个数比后面一个数大，那么交换位置，直到处理到最后一个数，最后的这个数是最大的。

第二轮迭代：因为最后一个数已经是最大了，现在重复第一轮迭代的操作，但是只处理到倒数第二个数。

第三轮迭代：因为最后一个数已经是最大了，最后第二个数是次大的，现在重复第一轮迭代的操作，但是只处理到倒数第三个数。

第N轮迭代：....

经过交换，最后的结果为：1 3 4 5 6 6 6 8 9 14 25 49，我们可以看到已经排好序了。

因为小的元素会慢慢地浮到顶端，很像碳酸饮料的汽泡，会冒上去，所以这就是冒泡排序取名的来源。

举个简单例子，冒泡排序一个 4 个元素的数列：4 2 9 1：

[]表示排好序 {}表示比较后交换的结果

第一轮开始： 4 2 9 1 从第一个数开始，4 比 2 大，交换 4，2
第一轮： {2 4} 9 1  接着 4 比 9 小，不交换
第一轮： 2 {4 9} 1  接着 9 比 1 大，交换 9，1
第一轮： 2 4 {1 9}  已经到底，结束
第一轮结果： 2 4 1 [9] 

第二轮开始：2 4 1 [9] 从第一个数开始，2 比 4 小，不交换
第二轮： {2 4} 1 [9] 接着 4 比 1 大，交换 4，1
第二轮： 2 {1 4} [9] 已经到底，结束
第二轮结果： 2 1 [4 9] 

第三轮开始：2 1 [4 9] 从第一个数开始，2 比 1 大，交换 2，1
第三轮： (1 2} [4 9] 已经到底，结束
第三轮结果： 1 [2 4 9] 

结果： [1 2 4 9]

首先第一个数4和第二个数2比较，因为比后面的数大，所以交换，交换后第二个数为4，然后第二个数4和第三个数9比较，因为比后面的数小，不交换，接着第三个数9和第四个数1比较，因为比后面的数大，交换，到达数列底部，第一轮结束。以此类推。

当数列的元素数量为N，冒泡排序有两种循环，需要比较的次数为：

第一次比较的次数为： N-1 次
第二次比较的次数为： N-2 次，因为排除了最后的元素
第三次比较的次数为： N-3 次，因为排除了后两个元素
...
第某次比较的次数为：  1 次

比较次数：1 + 2 + 3 + ... + (N-1) = (N^2 - N)/2，是一个平方级别的时间复杂度，我们可以记为：O(n^2)。

交换次数：如果数列在有序的状态下进行冒泡排序，也就是最好情况下，那么交换次数为0，而如果完全乱序，最坏情况下那么交换的次数和比较的次数一样多。

冒泡排序交换和比较的次数相加是一个和N有关的平方数，所以冒泡排序的最好和最差时间复杂度都是：O(n^2)。

我们可以改进最好的时间复杂度，使得冒泡排序最好情况的时间复杂度是O(n)，请看下面的算法实现。

冒泡排序算法是稳定的，因为如果两个相邻元素相等，是不会交换的，保证了稳定性的要求。

二、算法实现

package main

import "fmt"

func BubbleSort(list []int) {
    n := len(list)
    // 在一轮中有没有交换过
    didSwap := false

    // 进行 N-1 轮迭代
    for i := n - 1; i > 0; i-- {
        // 每次从第一位开始比较，比较到第 i 位就不比较了，因为前一轮该位已经有序了
        for j := 0; j < i; j++ {
            // 如果前面的数比后面的大，那么交换
            if list[j] > list[j+1] {
                list[j], list[j+1] = list[j+1], list[j]
                didSwap = true
            }
        }

        // 如果在一轮中没有交换过，那么已经排好序了，直接返回
        if !didSwap {
            return
        }
    }
}

func main() {
    list := []int{5, 9, 1, 6, 8, 14, 6, 49, 25, 4, 6, 3}
    BubbleSort(list)
    fmt.Println(list)
}

输出：

[1 3 4 5 6 6 6 8 9 14 25 49]

因为切片会原地排序，排序函数不需要返回任何值，处理完后可以直接打印：fmt.Println(list)。

很多编程语言不允许这样：list[j], list[j+1] = list[j+1], list[j]，会要求交换两个值时必须建一个临时变量a来作为一个过渡，如：

a := list[j+1]
    list[j+1] = list[j]
    list[j] = a

但是Golang允许我们不那么做，它会默认构建一个临时变量来中转。

我们引入了didSwap的变量，如果在一轮中该变量值没有变化，那么表示数列是有序的，所以不需要交换。也就是说在最好的情况下：对已经排好序的数列进行冒泡排序，只需比较N次，最好时间复杂度从O(n^2)骤减为O(n)。

三、总结

冒泡排序是效率较低的排序算法，可以说是最慢的排序算法了，我们只需知道它是什么，在实际工作上切勿使用如此之慢的排序算法!

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