C++ 补充之常用排序算法-编程知识

C++ 补充之常用排序算法

常用的排序算法主要包括冒泡排序、选择排序、插入排序、快速排序、归并排序和堆排序，下面简单介绍一下它们的概念和原理：

冒泡排序（Bubble Sort）：
冒泡排序是一种基础的排序算法，它重复地走访要排序的元素列，依次比较相邻两个元素的大小，如果顺序不对则交换它们。通过多次遍历，每次最大的元素会慢慢“冒泡”到正确的位置。
选择排序（Selection Sort）：
选择排序是一种简单直观的排序算法，基本思路是每次在未排序的数据中选择最小（或最大）的元素，放到已排序部分的末尾。重复这个过程，直到所有元素都排序完毕。
插入排序（Insertion Sort）：
插入排序的工作原理是通过构建有序序列，对于未排序数据，在已排序序列中从后向前扫描，找到相应位置并插入。插入排序类似于扑克牌整理手中的牌的过程。
快速排序（Quick Sort）：
快速排序是一种高效的排序算法，采用分治策略将数组分成两部分，然后递归地对子数组进行排序。具体做法是选择一个基准值，将小于基准值的元素放到左边，大于基准值的元素放到右边，最终实现整个数组的排序。
归并排序（Merge Sort）：
归并排序也是一种分治算法，将数组一分为二，分别对左右两部分进行排序，然后合并两个有序数组以获得最终有序结果。归并排序的关键在于合并操作。
堆排序（Heap Sort）：
堆排序利用堆这种数据结构来实现排序，堆是一个完全二叉树，可以分为最大堆和最小堆。堆排序首先将数组构建成一个最大堆或最小堆，然后不断取出堆顶元素（最大或最小值），再调整剩余元素使之重新满足堆的性质，最终得到有序序列。

每种排序算法都有其适用的场景和优缺点，根据具体情况选择合适的算法能够提高排序的效率。

C++ 补充之常用排序算法sort

C++标准库中的sort函数使用的是快速排序（Quick Sort）和插入排序（Insertion Sort）的混合算法，称为Introsort。具体原理如下：

首先，sort函数会检测到排序的元素数量是否超过了阈值（通常是16个元素）。如果超过了阈值，将使用快速排序算法。
快速排序通过选取一个基准元素（pivot），将待排序序列分为两部分：小于等于基准元素的部分和大于基准元素的部分。然后，分别对这两部分进行递归地快速排序。这样，最终整个序列就会有序。
如果排序的元素数量较少（小于等于阈值），sort函数将转而使用插入排序算法。
插入排序算法从第二个元素开始，将每一个元素插入到已排序好的部分中的正确位置，直到所有元素都被插入。这种算法能够在元素数量较少时表现出良好的性能。

下面以一个例子来说明sort函数的使用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> nums = {5, 2, 8, 4, 1, 9};// 使用sort函数对nums进行排序std::sort(nums.begin(), nums.end());// 输出排序后的结果for (int num : nums) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

该例子中，我们使用std::sort函数对nums进行排序。std::sort函数会根据元素的类型调用相应的比较函数，默认使用升序排序。

输出结果为：1 2 4 5 8 9，即排序后的数组。注意，sort函数修改了原始数组，使其有序。

sort函数的时间复杂度平均情况下为O(n log n)，最坏情况下为O(n^2)。但由于sort函数使用了Introsort算法，通常情况下能够获得较好的性能。

C++ 补充之常用排序算法random_shuffle

在这里插入图片描述

在C++中，std::random_shuffle函数主要用于将指定范围内的元素进行随机重排。在C++17标准及之后，std::random_shuffle已经被弃用，建议使用std::shuffle代替。下面简要介绍一下std::shuffle的原理和一个示例：

std::shuffle的原理：

std::shuffle函数通过引入随机数生成器来对指定范围内的元素进行重新排列。具体原理如下：

随机数生成器会生成一个序列的伪随机数，代表元素的新位置。
按照生成的随机数对容器中的元素进行重新排列，从而达到随机打乱的效果。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <random>int main() {std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用std::random_device和std::default_random_engine生成随机数种子std::random_device rd;std::default_random_engine rng(rd());// 使用std::shuffle函数对nums进行随机重排std::shuffle(nums.begin(), nums.end(), rng);// 输出重排后的结果for (int num : nums) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

在上面的示例中，我们首先使用std::random_device和std::default_random_engine生成一个随机数生成器，并将其作为参数传递给std::shuffle函数。std::shuffle函数会利用这个随机数生成器对nums进行随机重排。

运行示例代码后，每次输出都会得到不同的排列顺序，因为std::shuffle函数会根据生成的随机数对元素进行重新排列。

为了避免伪随机数生成器生成相同序列的问题，通常使用std::random_device作为种子，以确保每次运行时生成不同的随机序列。

C++ 补充之常用排序算法merge

在C++中，std::merge函数用于合并两个已排序的序列（通常是有序的容器），返回一个合并后的有序序列。下面我们来详细介绍一下std::merge的原理和给出一个示例代码：
在这里插入图片描述

std::merge的原理：

std::merge函数通过将两个已排序的序列合并成一个新的有序序列，基本原理如下：

创建一个新的目标序列，长度为两个输入序列长度之和。
从两个输入序列的起始位置开始进行比较，每次选择较小（或较大）的元素插入到目标序列中。
继续比较两个序列中未处理元素，并将较小（或较大）的元素插入到目标序列中。
最终得到一个有序的合并序列，其中包含了两个输入序列的所有元素。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> vec1 = {1, 3, 5, 7};std::vector<int> vec2 = {2, 4, 6, 8};// 目标序列，用于存放合并后的有序序列std::vector<int> merged(vec1.size() + vec2.size());// 使用std::merge函数对vec1和vec2进行合并，结果存放在merged中std::merge(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin(), vec2.end(), merged.begin());// 输出合并后的有序序列for (int num : merged) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

在上述示例中，首先定义了两个已排序的向量vec1和vec2，然后定义了一个目标向量merged来存放合并后的有序序列。接着使用std::merge函数对vec1和vec2进行合并，将结果存放在merged中。

运行示例代码后，输出结果为：1 2 3 4 5 6 7 8，即两个输入序列合并后的有序序列。std::merge函数在合并两个序列时会保持其有序性，因此可以方便地将两个有序序列合并为一个新的有序序列。

C++ 补充之常用排序算法reverse

在C++中，std::reverse函数用于对指定范围内的元素进行逆序操作。下面我们来详细介绍一下std::reverse的原理和给出一个示例代码：

std::reverse的原理：

std::reverse函数会将指定范围内的元素反转，即将第一个元素与最后一个元素互换，依次类推，直到整个范围内的元素完成反转操作。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用std::reverse函数对nums进行逆序操作std::reverse(nums.begin(), nums.end());// 输出逆序后的结果for (int num : nums) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}