选择排序表示从无序的数组中,每次选择最小或最大的数据,从无序数组中放到有序数组的末尾,以达到排序的效果。

选择排序的平均时间复杂度,最好情况下的时间复杂度 07-选择排序 - 图1,最坏情况下的时间复杂度都是
07-选择排序 - 图2。另外,它是一个不稳定的排序算法。

1. 选择排序

选择排序的过程很容易理解。如下图所示,我们仍以递增排序的算法为例,先遍历未排序的数组,找到最小的元素。然后,把最小的元素从未排序的数组中删除,添加到有序数组的末尾。
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因为最小的元素是1,所以1被添加到仍为空的有序数组末尾。

如下图所示,我们继续对剩余元素进行遍历。这次,最小的元素是 2。我们把它添加到已排序的数组末尾。由于已在有序数组中的元素必定小于未排序数组中的所有元素,所以这步操作是正确无误的。

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如下图所示,重复上述步骤,当未排序数组中只剩下一个元素时,把它添加到已排序的数组末尾,整个数组的排序就完成了。
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采用图中的思路,以下代码将数组 nums 进行正序排序。
选择排序代码(基础版):

  1. nums = [5,3,6,4,1,2,8,7]
  2. res = [] #用于存储已排序元素的数组
  3. while len(nums): #当未排序数组内还有元素时,重复执行选择最小数的代码
  4. minInd = 0 #初始化存储最小数下标的变量,默认为第一个数
  5. for i in range(1, len(nums)):
  6. if(nums[i] < nums[minInd]): #更新最小数的下标
  7. minInd = i
  8. temp = nums[minInd]
  9. nums.pop(minInd) #把最小数从未排序数组中删除
  10. res.append(temp) #把最小数插入到已排序数组的末尾
  11. print(res)

运行程序,输出结果为:

  1. [1,2,3,4,5,6,7,8]

代码中,最外层的 while 循环用于判断是否所有的元素都已经进入有序的数组,从而确定排序是否已经完成。如果无序数组中已经没有元素,说明排序已经完成。

在开始遍历无序数组之前,先初始化记录最小值下标的变量为0,所以 for 循环可以从第二个元素,也就是下标为 1 的元素开始遍历。找到最小值后,用 temp 存储最小数的值。执行 pop 函数把最小数从原数组中删除,这样它不会影响下一步的选择。最后,用 append 把 temp 存储的元素插入到有序数组末尾。

2. 选择排序改进版

虽然这样实现排序较为直观,代码逻辑也比较简单,但可以注意到,这样实现插入排序需要两个同样大小数组的空间。如果要处理的数据量较大,这样的算法会浪费资源。所以,我们要对算法做一些改动,使选择排序能够在同一个数组内完成。同样地,我们用图片来展示这个过程。

首先,如下图所示,在未排序的数组中找到最小的数1。
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此时,它是我们找到的第一个最小数。如下图所示,我们把它与数组的第一个元素交换。
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如下图所示,这时候,数组中的第一个位置就成为了有序数据的一部分。
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接下来,如下图所示,由于第一个元素已经有序了,所以我们只需要在它之后的数组中搜索最小值。这一趟搜索过后,最小值是2,所以把2和第二个元素交换位置。
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如下图所示,2和第二个元素交换位置后,第二个位置就成为了这个有序数组的一部分。
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如下图,当所有元素都加入有序数组后,排序就完成了。
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使用这样的思路,我们可以使用代码实现选择排序。
选择排序代码(原地版):

  1. nums = [5, 3, 6, 4, 1, 2, 8, 7]
  2. for i in range(len(nums) - 1): # 更新有序数组的末尾位置
  3. minInd = i
  4. for j in range(i, len(nums)): # 找出未排序数组中最小值的下标
  5. if nums[j] < nums[minInd]:
  6. minInd = j
  7. nums[i], nums[minInd] = nums[minInd], nums[i] # 把最小值加到有序数组末尾
  8. print(nums)

运行程序,输出结果为:

[1,2,3,4,5,6,7,8]

在程序中,第一个 for 循环中的i代表了有序数组之后的第一个位置,也就是未排序数组中的第一个位置。随后,再使用一个 for 循环,在未排序数组中找到最小值的下标。首先,把最小值下标 minInd 初始化为未排序数组中第一个元素的下标。随后,遍历整个数组,遇到比目前的最小值更小的元素时,更新下标即可。找出最小值后,把它和未排序数组中的第一个元素交换位置,这时它就成为了有序数组中的最后一个元素。

3. 小结

本节介绍了选择排序算法,在其他一些编程语言中,不能像Python一样使用pop、insert等函数对数组进行操作。插入一个数时,需要把插入位置及后面的所有元素都向后移动一位。这时候,本小节中的原地版算法优势更加明显。