Сортировка пузырьком – простейший алгоритм сортировки, применяемый чисто для учебных целей. Практического применения этому алгоритму нет, так как он не эффективен, особенно если необходимо отсортировать массив большого размера. К плюсам сортировки пузырьком относится простота реализации алгоритма.
Алгоритм сортировки пузырьком сводится к повторению проходов по элементам сортируемого массива. Проход по элементам массива выполняет внутренний цикл. За каждый проход сравниваются два соседних элемента, и если порядок неверный элементы меняются местами. Внешний цикл будет работать до тех пор, пока массив не будет отсортирован. Таким образом внешний цикл контролирует количество срабатываний внутреннего цикла Когда при очередном проходе по элементам массива не будет совершено ни одной перестановки, то массив будет считаться отсортированным. Чтобы хорошо понять алгоритм, отсортируем методом пузырька массив, к примеру, из 7 чисел (см. Таблица 1).
исходный массив: 3 3 7 1 2 5 0
| № итерации | Элементы массива | Перестановки | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| исх. массив | 3 | 3 | 7 | 1 | 2 | 5 | 0 | |
| 0 | 3 | 3 | false | |||||
| 1 | 3 | 7 | false | |||||
| 2 | 1 | 7 | 7>1, true | |||||
| 3 | 2 | 7 | 7>2, true | |||||
| 4 | 5 | 7 | 7>5, true | |||||
| 5 | 0 | 7 | 7>0, true | |||||
| тек. массив | 3 | 3 | 1 | 2 | 5 | 0 | 7 | |
| 0 | 3 | 3 | false | |||||
| 1 | 1 | 3 | 3>1, true | |||||
| 2 | 2 | 3 | 3>2, true | |||||
| 3 | 0 | 3 | 3>0, true | |||||
| 4 | 3 | 5 | false | |||||
| 5 | 5 | 7 | false | |||||
| тек. массив | 3 | 1 | 2 | 0 | 3 | 5 | 7 | |
| 0 | 1 | 3 | 3>1, true | |||||
| 1 | 2 | 3 | 3>2, true | |||||
| 2 | 0 | 3 | 3>0, true | |||||
| 3 | 3 | 3 | false | |||||
| 4 | 3 | 5 | false | |||||
| 5 | 5 | 7 | false | |||||
| тек. массив | 1 | 2 | 0 | 3 | 3 | 5 | 7 | |
| 1 | 2 | false | ||||||
| 0 | 2 | 2>0, true | ||||||
| 2 | 3 | false | ||||||
| 3 | 3 | false | ||||||
| 3 | 5 | false | ||||||
| 5 | 7 | false | ||||||
| тек. массив | 1 | 0 | 2 | 3 | 3 | 5 | 7 | |
| 0 | 1 | 1>0, true | ||||||
| 1 | 2 | false | ||||||
| 2 | 3 | false | ||||||
| 3 | 3 | false | ||||||
| 3 | 5 | false | ||||||
| 5 | 7 | false | ||||||
| конечный массив | 0 | 1 | 2 | 3 | 3 | 5 | 7 | |
| Конец сортировки | ||||||||
Для того чтобы отсортировать массив хватило пяти запусков внутреннего цикла, for . Запустившись, цикл for срабатывал 6 раз, так как элементов в массиве 7, то итераций (повторений) цикла for должно быть на одно меньше. На каждой итерации сравниваются два соседних элемента массива. Если текущий элемент массива больше следующего, то меняем их местами. Таким образом, пока массив не будет отсортирован, будет запускаться внутренний цикл и выполняться операция сравнения. Обратите внимание на то, что за каждое полное выполнение цикла for как минимум один элемент массива находит своё место. В худшем случае, понадобится n-2 запуска внутреннего цикла, где n – количество элементов массива. Это говорит о том, что сортировка пузырьком крайне не эффективна для больших массивов.
Разработаем программу, в которой сначала необходимо ввести размер одномерного массива, после чего массив заполняется случайными числами и сортируется методом пузырька.
// bu_sort.cpp: определяет точку входа для консольного приложения.
#include "stdafx.h"
#include
Результат работы программы показан на рисунке 1.
Рисунок 1 — Сортировка пузырьком
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
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
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.
Всем привет!
Сегодня мы разберем сортировку методом "пузырька". Данный алгоритм часто проходится в школах и университетах, поэтому будем использовать язык Pascal. И, так, что такое сортировка? Сортировка - это упорядочение элементов от меньшего к большему (сортировка по возрастанию) или от большего элемента к меньшему (сортировка по убыванию). Сортируют обычно массивы.
Существуют различные алгоритмы сортировки. Некоторые, хорошо сортируют большое количество элементов, другие, более эффективны при очень маленьком количестве элементов. Наш метод пузырька характерен:
Алгоритм: Берем элемент массива, сравниваем со следующим, если наш элемент, больше следующего элемента, то мы их меняем местами. После прохождения всего массива, мы можем быть уверены, что максимальный элемент будет "вытолкнут" - и стоять самым последним. Таким образом, один элемент у нас уже точно стоит на своём месте. Т.к. нам надо их все расположить на свои места, следовательно, мы должны повторить данную операцию, столько раз, сколько у нас элементов массива минус 1. Последний элемент встанет автоматически, если остальные стоят на своих местах.
Вернемся к нашему массиву:3 1 4 2
Берем первый элемент "3" сравниваем со следующим "1". Т.к. "3" > "1", то меняем местами:
1 3 4 2
Теперь сравниваем "3" и "4", тройка не больше четвёрки, значит ничего не делаем. Далее, сравниваем "4" и "2". Четыре больше, чем два - значит меняем местами: 1 3 2 4
. Цикл закончился. Значит самый большой элемент уже должен стоять на своём месте!! Видим, что у нас так и произошло. Где бы "4" (наш самый большой элемент) не находился - он всё равно, после прохождения циклом всего массива, будет последним. Аналогия - как пузырёк воздуха всплывает в воде - так и наш элемент, всплывает в массиве. Поэтому и алгоритм, называется "Пузырьковая сортировка". Чтобы расположить следующий элемент, необходимо, начать цикл сначала, но последний элемент можно уже не рассматривать, потому что он стоит на своём месте.
Теперь осталось запрограммировать данный алгоритм на языке Pascal.
const n = 4; {Заводим константу, это будет длина массива}
var i, j, k:integer; {Две переменные для вложенного цикла, одна для того чтобы элементы менять местами }
m:array of integer; {Заводим массив}
begin
{Будем запрашивать массив с клавиатуры:}
Writeln("Введите массив:");
for i:=1 to n do begin
Writeln(i, " элемент:");
Readln(m[i]);
end;
{Внешний цикл отвечает за то, что мы должны повторить
внутренний цикл столько раз, сколько у нас элементов
массива минус 1.}
for i:=1 to n-1 do begin
{Внутренний цикл уже перебирает элементы и сравнивает между собой.}
for j:=1 to n-i do begin
{Если элемент, больше следующего, то меняем местами.}
if m[j]>m then begin
k:=m[j];
m[j]:=m;
m:=k;
end;
end;
end;
{Выводи результат:}
for i:=1 to n do
Write(m[i], " ");
end.
Вот результат:
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.
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.
Сортировка пузырьком выполняется следующим образом:
Еще короче алгоритм будущей программы можно записать так:
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.
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.
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.
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 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 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
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
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:
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]);
#include
#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
Существует довольно большое количество алгоритмов сортировки, многие из них весьма специфические и разрабатывались для решения узкого круга задач и работы с конкретными типами данных. Но среди всего этого многообразия самым простейшим алгоритмом заслуженно является пузырьковая сортировка, которую можно реализовать на любом языке программирования. Несмотря на свою простоту, она лежит в основе многих довольно сложных алгоритмов. Другим ее не менее важным достоинством является ее простота, а, следовательно, ее можно вспомнить и реализовать сходу, не имея перед глазами какой-либо дополнительной литературы.
Вам, в отличие от компьютерной программы сортировка не составит никого труда, ведь вы способны видеть картину в целом и сразу сможете прикинуть, какого героя, куда нужно переместить, чтобы сортировка по росту была выполнена успешно. Вы уже наверняка догадались, что для сортировки по возрастанию этой структуры данных достаточно поменять местами Халка и Железного человека:
После того, как вы пройдете с таким алгоритмом по всему списку за один проход, сортировка будет произведена не полностью. Но зато, самый большой элемент в списке будет перемещен в крайнюю правую позицию. Это будет происходить всегда, ведь как только вы найдете самый большой элемент, вы все время будете менять его местами пока не переместите в самый конец. То есть, как только программа «найдет» Халка в массиве, она будет двигать его дальше в самый конец списка:
Именно поэтому этот алгоритм называется пузырьковой сортировкой, так как в результате его работы самый большой элемент в списке оказывается в самом верху массива, а все более мелкие элементы будут смещены на одну позицию влево:
Чтобы завершить сортировку нужно будет вернуться к началу массива и повторить описанные выше пять шагов еще раз, снова перемещаясь слева направо, сравнивая и по необходимости перемещая элементы. Но на этот раз вам нужно остановить алгоритм за один элемент до конца массива, ведь мы уже знаем, что в крайней правой позиции абсолютно точно находится самый большой элемент (Халк):
Таким образом, программа должна иметь два цикла. Для большей наглядности, перед тем как мы перейдем к рассмотрению программного кода, по этой ссылке можно ознакомиться с визуализацией работы пузырьковой сортировки: Визуализация работы пузырьковой сортировки
toSwap – переставляет местами элементы в случае необходимости. Для этого используется временная переменная dummy , в которую записывается значение первого числа, а на место первого записывается значение из второго числа. После этого содержимое из временной переменной записывается во второе число. Это стандартный прием перестановки местами двух элементов;
и, наконец, главный метод:
bubbleSorter – который производит основную работу и сортирует данные, хранящиеся в массиве, еще раз приведем его отдельно:
public void bubbleSorter () { //МЕТОД ПУЗЫРЬКОВОЙ СОРТИРОВКИ for (int out = elems - 1 ; out >= 1 ; out-- ) { //Внешний цикл for (int in = 0 ; in < out; in++ ) { //Внутренний цикл if (a[ in] > a[ in + 1 ] ) //Если порядок элементов нарушен toSwap (in, in + 1 ) ; //вызвать метод, меняющий местами } } }На скорость алгоритма влияет не только количество проходов, но и количество перестановок, которые потребуется совершить. Для случайных данных количество перестановок в среднем составляет (N^2) / 4, то есть примерно в половину меньше, чем количество проходов. Однако, в худшем случае количество перестановок также может составить N^2 / 2 – это в том случае, если данные изначально отсортированы в обратном порядке. Не смотря на то, что это достаточно медленный алгоритм сортировки, знать и понимать как он работает довольно важно, к тому же, как было сказано ранее, он является основой для более сложных алгоритмов. Jgd!
