C语言 排序算法

冒泡排序

冒泡排序（英语：Bubble Sort）是一种最简单的排序算法。
它重复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果他们的顺序（如从大到小、首字母从A到Z）错误就把他们交换过来。

#include <stdio.h>
void bubble_sort(int arr[], int len)
{
   int i, j, temp;
   for (i = 0; i < len - 1; i++)
      for (j = 0; j < len - 1 - i; j++)
         if (arr[j] > arr[j + 1])
         {
            temp = arr[j];
            arr[j] = arr[j + 1];
            arr[j + 1] = temp;
         }
}
int main()
{
   int arr[] = {22, 34, 3, 32, 82, 55, 89, 50, 37, 5, 64, 35, 9, 70};
   int len = (int)sizeof(arr) / sizeof(*arr);
   bubble_sort(arr, len);
   int i;
   for (i = 0; i < len; i++)
      printf("%d\n", arr[i]);
   return 0;
}

选择排序

选择排序（Selection sort）是一种简单直观的排序算法。
它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小（大）元素，存放到排序序列的起始位置，然后，再从剩余未排序元素中继续寻找最小（大）元素，然后放到已排序序列的末尾。以此类推，直到所有元素均排序完毕。
过程演示：

#include <stdio.h>
void selection_sort(int a[], int len)
{
   int i, j, temp;
   for (i = 0; i < len - 1; i++)
   {
      int min = i;                  // 记录最小值，第一个元素默认最小
      for (j = i + 1; j < len; j++) // 访问未排序的元素
      {
         if (a[j] < a[min]) // 找到目前最小值
         {
            min = j; // 记录最小值
         }
      }
      if (min != i)
      {
         temp = a[min]; // 交换两个变量
         a[min] = a[i];
         a[i] = temp;
      }
      swap(&a[min], &a[i]); // 使用自定义函数交換
   }
}
void swap(int *a, int *b) // 交换两个变量
{
   int temp = *a;
   *a = *b;
   *b = temp;
}

插入排序

插入排序（英语：Insertion Sort）是一种简单直观的排序算法。
它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。插入排序在实现上，通常采用in-place排序（即只需用到 {\displaystyle O(1)} {\displaystyle O(1)}的额外空间的排序），因而在从后向前扫描过程中，需要反复把已排序元素逐步向后
挪位，为最新元素提供插入空间。

void insertion_sort(int arr[], int len)
{
   int i, j, temp;
   for (i = 1; i < len; i++)
   {
      temp = arr[i];
      for (j = i; j > 0 && arr[j - 1] > temp; j--)
         arr[j] = arr[j - 1];
      arr[j] = temp;
   }
}

希尔排序

希尔排序，也称递减增量排序算法，是插入排序的一种更高效的改进版本。希尔排序是非稳定排序算法。
希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的：

• 插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时，效率高，即可以达到线性排序的效率
• 但插入排序一般来说是低效的，因为插入排序每次只能将数据移动一位

过程演示：

void shell_sort(int arr[], int len)
{
   int gap, i, j;
   int temp;
   for (gap = len >> 1; gap > 0; gap = gap >> 1)
      for (i = gap; i < len; i++)
      {
         temp = arr[i];
         for (j = i - gap; j >= 0 && arr[j] > temp; j -= gap)
            arr[j + gap] = arr[j];
         arr[j + gap] = temp;
      }
}

归并排序

把数据分为两段，从两段中逐个选最小的元素移入新数据段的末尾。
可从上到下或从下到上进行。

迭代法

int min(int x, int y) {
    return x < y ? x : y;
}
void merge_sort(int arr[], int len) {
    int* a = arr;
    int* b = (int*) malloc(len * sizeof(int));
    int seg, start;
    for (seg = 1; seg < len; seg += seg) {
        for (start = 0; start < len; start += seg + seg) {
            int low = start, mid = min(start + seg, len), high = min(start + seg + seg, len);
            int k = low;
            int start1 = low, end1 = mid;
            int start2 = mid, end2 = high;
            while (start1 < end1 && start2 < end2)
                b[k++] = a[start1] < a[start2] ? a[start1++] : a[start2++];
            while (start1 < end1)
                b[k++] = a[start1++];
            while (start2 < end2)
                b[k++] = a[start2++];
        }
        int* temp = a;
        a = b;
        b = temp;
    }
    if (a != arr) {
        int i;
        for (i = 0; i < len; i++)
            b[i] = a[i];
        b = a;
    }
    free(b);
}

递归法

void merge_sort_recursive(int arr[], int reg[], int start, int end) {
    if (start >= end)
        return;
    int len = end - start, mid = (len >> 1) + start;
    int start1 = start, end1 = mid;
    int start2 = mid + 1, end2 = end;
    merge_sort_recursive(arr, reg, start1, end1);
    merge_sort_recursive(arr, reg, start2, end2);
    int k = start;
    while (start1 <= end1 && start2 <= end2)
        reg[k++] = arr[start1] < arr[start2] ? arr[start1++] : arr[start2++];
    while (start1 <= end1)
        reg[k++] = arr[start1++];
    while (start2 <= end2)
        reg[k++] = arr[start2++];
    for (k = start; k <= end; k++)
        arr[k] = reg[k];
}
void merge_sort(int arr[], const int len) {
    int reg[len];
    merge_sort_recursive(arr, reg, 0, len - 1);
}

快速排序

在区间中随机挑选一个元素作基准，将小于基准的元素放在基准之前，大于基准的元素放在基准之后，再分别对小数区与大数区进行排序。
过程演示：

迭代法

typedef struct _Range {
    int start, end;
} Range;
Range new_Range(int s, int e) {
    Range r;
    r.start = s;
    r.end = e;
    return r;
}
void swap(int *x, int *y) {
    int t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}
void quick_sort(int arr[], const int len) {
    if (len <= 0)
        return; // 避免len等於負值時引發段錯誤（Segment Fault）
    // r[]模擬列表,p為數量,r[p++]為push,r[--p]為pop且取得元素
    Range r[len];
    int p = 0;
    r[p++] = new_Range(0, len - 1);
    while (p) {
        Range range = r[--p];
        if (range.start >= range.end)
            continue;
        int mid = arr[(range.start + range.end) / 2]; // 選取中間點為基準點
        int left = range.start, right = range.end;
        do
        {
            while (arr[left] < mid) ++left;   // 檢測基準點左側是否符合要求
            while (arr[right] > mid) --right; //檢測基準點右側是否符合要求
            if (left <= right)
            {
                swap(&arr[left],&arr[right]);
                left++;right--;               // 移動指針以繼續
            }
        } while (left <= right);
        if (range.start < right) r[p++] = new_Range(range.start, right);
        if (range.end > left) r[p++] = new_Range(left, range.end);
    }
}

递归法

void swap(int *x, int *y) {
    int t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}
void quick_sort_recursive(int arr[], int start, int end) {
    if (start >= end)
        return;
    int mid = arr[end];
    int left = start, right = end - 1;
    while (left < right) {
        while (arr[left] < mid && left < right)
            left++;
        while (arr[right] >= mid && left < right)
            right--;
        swap(&arr[left], &arr[right]);
    }
    if (arr[left] >= arr[end])
        swap(&arr[left], &arr[end]);
    else
        left++;
    if (left)
        quick_sort_recursive(arr, start, left - 1);
    quick_sort_recursive(arr, left + 1, end);
}
void quick_sort(int arr[], int len) {
    quick_sort_recursive(arr, 0, len - 1);
}