圖形化排序演算法比較:快速排序、插入排序、選擇排序、氣泡排序

發表於2016-11-04

用Objective-C實現幾種基本的排序演算法,並把排序的過程圖形化顯示。其實演算法還是挺有趣的 ^ ^.

  • 選擇排序
  • 氣泡排序
  • 插入排序
  • 快速排序

選擇排序

以升序為例。
選擇排序比較好理解,一句話概括就是依次按位置挑選出適合此位置的元素來填充。

  1. 暫定第一個元素為最小元素,往後遍歷,逐個與最小元素比較,若發現更小者,與先前的”最小元素”交換位置。達到更新最小元素的目的。
  2. 一趟遍歷完成後,能確保剛剛完成的這一趟遍歷中,最的小元素已經放置在前方了。然後縮小排序範圍,新一趟排序從陣列的第二個元素開始。
  3. 在新一輪排序中重複第1、2步驟,直到範圍不能縮小為止,排序完成。
圖形化排序演算法比較:快速排序、插入排序、選擇排序、氣泡排序
選擇排序.gif

以下方法在NSMutableArray+JXSort.m中實現

氣泡排序

  1. 在一趟遍歷中,不斷地對相鄰的兩個元素進行排序,小的在前大的在後,這樣會造成大值不斷沉底的效果,當一趟遍歷完成時,最大的元素會被排在後方正確的位置上。
  2. 然後縮小排序範圍,即去掉最後方位置正確的元素,對前方陣列進行新一輪遍歷,重複第1步驟。直到範圍不能縮小為止,排序完成。
圖形化排序演算法比較:快速排序、插入排序、選擇排序、氣泡排序
氣泡排序.gif

插入排序

插入排序是從一個亂序的陣列中依次取值,插入到一個已經排好序的陣列中。這看起來好像要兩個陣列才能完成,但如果只想在同一個陣列內排序,也是可以的。此時需要想象出兩個區域:前方有序區和後方亂序區。

  1. 分割槽。開始時前方有序區只有一個元素,就是陣列的第一個元素。然後把從第二個元素開始直到結尾的陣列作為亂序區。
  2. 從亂序區取第一個元素,把它正確插入到前方有序區中。把它與前方無序區的最後一個元素比較,亦即與它的前一個元素比較。
    • 如果比前一個元素要大,則不需要交換,這時有序區擴充一格,亂序區往後縮減一格,相當於直接拼在有序區末尾。
    • 如果和前一個元素相等,則繼續和前二元素比較、再和前三元素比較……如果往前遍歷到頭了,發現前方所有元素值都長一個樣的話(囧),那也可以,不需要交換,這時有序區擴充一格,亂序區往後縮減一格,相當於直接拼在有序區末尾。如果比前一個元素大呢?對不起作為有序區不可能出現這種情況。如果比前一個元素小呢,請看下一點。
    • 如果比前一個元素小,則交換它們的位置。交換完後,繼續比較取出元素和它此時的前一個元素,若更小就交換,若相等就比較前一個,直到遍歷完成。
      至此,把亂序區第一個元素正確插入到前方有序區中。
  3. 往後縮小亂序區範圍,繼續取縮小範圍後的第一個元素,重複第2步驟。直到範圍不能縮小為止,排序完成。
圖形化排序演算法比較:快速排序、插入排序、選擇排序、氣泡排序
插入排序.gif

快速排序

快排的版本有好幾種,粗略可分為:

  • 原始的快排。
  • 為製造適合高效排序環境而事先打亂陣列順序的快排。
  • 為陣列內大量重複值而優化的三向切分快排。

這裡只討論原始的快排。
關於在快排過程中何時進行交換以及交換誰的問題,我看見兩種不同的思路:

  1. 當左右兩個遊標都停止時,交換兩個遊標所指向元素。樞軸所在位置暫時不變,直到兩個遊標相遇重合,才更新樞軸位置,交換樞軸與遊標所指元素。
  2. 當右遊標找到一個比樞軸小的元素時,馬上把樞軸交換到遊標所在位置,而遊標位置的元素則移到樞軸那裡。完成一次樞軸更新。然後左遊標再去尋找比樞軸大的元素,同理。

第1種思路可以有效降低交換頻率,在遊標相遇後再對樞軸進行定位,這步會導致略微增加了比較的次數;第2種思路交換操作會比較頻繁,但是在交換的過程中同時也把樞軸的位置不斷進行更新,當遊標相遇時,樞軸的定位也完成了。

在兩種思路都嘗試實現過後,我還是喜歡第2種,即便交換操作會多一些,但實質上的交換隻是對陣列特定位置的賦值,這種操作還是挺快的。

  1. 從待排序陣列中選一個值作為分割槽的參考界線,一般選第一個元素即可。這個選出來的值可叫做樞軸pivot,它將會在一趟排序中不斷被移動位置,只終移動到位於整個陣列的正確位置上。
  2. 一趟排序的目標是把小於樞軸的元素放在前方,把大於樞軸的元素放在後方,樞軸放在中間。這看起來一趟排序實質上所幹的事情就是把陣列分割槽。接下來考慮怎麼完成一次分割槽。
  3. 記一個遊標i,指向待排序陣列的首位,它將會不斷向後移動;
    再記一個遊標j,指向待排序陣列的末位,它將會不斷向前移動。
    這樣可以預見的是,ij終有相遇時,當它們相遇的時候,就是這趟排序完成時。
  4. 現在讓遊標j從後往前掃描,尋找比樞軸小的元素x,找到後停下來,準備把這個元素扔到前方去。
  5. 在同一個陣列內排序並不能擴大陣列的容量,那怎麼扔呢?
    因為剛才把首位元素選作為pivot,所以當前它們的位置關係是pivot ... x
    又排序目標是升序,x是個小值卻放在了pivot的後方,不妥,需要交換它們的位置。
  6. 交換完後,它們的位置關係變成了x ... pivot。此時j指向了pivoti指向了x
  7. 現在讓遊標i向後掃描,尋找比樞軸大的元素y,找到後停下來,與pivot進行交換。
    完成後的位置關係是pivot ... y,此時i指向pivot,即pivot移到了i的位置。
  8. 這裡有個小優化,在i向後掃描開始時,i是指向x的,而在上一輪j遊標的掃描中我們已經知道x是比pivot小的,所以完全可以讓i跳過x,不需要拿著xpivot再比較一次。
    結論是在j遊標的交換完成後,順便把i往後移一位,i ++
    同理,在i遊標的交換完成後,順便把j往前移一位,j --
  9. 在掃描的過程中如果發現與樞軸相等的元素怎麼辦呢?
    因我們不討論三向切分的快排優化演算法,所以這裡答案是:不理它。
    隨著一趟一趟的排序,它們會慢慢被更小的元素往後擠,被更大的元素往前擠,最後的結果就是它們都會和樞軸一起移到了中間位置。
  10. ij相遇時,ij都會指向pivot。在我們的分割槽方法裡,把i返回,即在分割槽完成後把樞軸位置返回。
  11. 接下來,讓分出的兩個陣列分別按上述步驟各自分割槽,這是個遞迴的過程,直到陣列不能再分時,排序完成。

快速排序是很天才的設計,實現不復雜,關鍵是它真的很快~

圖形化排序演算法比較:快速排序、插入排序、選擇排序、氣泡排序
快速排序.gif

UI實現

現在講下UI的實現思路。

NSMutableArray+JXSort.h

從前面的排序程式碼可以看到,我是給NSMutableArray寫了個分類,排序邏輯寫在分類裡面,完全與檢視無關。

外部呼叫者只需要傳入兩個引數:

  • comparator程式碼塊。這是遵循蘋果原有API的風格設計,在需要比較陣列內的兩個元素時,排序方法將會呼叫這個程式碼塊,回傳需要比較的兩個元素給外部呼叫者,由外部呼叫者實現比較邏輯,並返回比較結果給排序方法。
  • exchangeCallback程式碼塊。這個引數是實現檢視變化的關鍵。排序方法在每次完成兩個元素的交換時,都會呼叫這個程式碼塊。外部呼叫者,比如ViewController就可以知道排序元素每一次變換位置的時機,從而同步檢視的變化。

ViewController.m

檢視控制器持有待排序的陣列,這個陣列是100條細長的矩形,長度隨機。

由於我們加強了NSMutableArray,它現在可以支援多種指定型別的排序了,同時也可以把排序過程反饋給我們,當需要給barArray排序時,只需要這樣呼叫:

每一次didExchange的回撥,ViewController都會對兩個檢視的位置進行交換。如此形成不斷進行排序的視覺效果。

控制排序速度

為了能夠讓肉眼感知排序的過程,我們需要放慢排序的過程。這裡我的辦法是延長兩個元素比較操作的耗時,大約延長到0.002秒。結果很明顯,當某個演算法所需要進行的比較操作越少時,它排序就會越快(根據上面四張圖的比較,毫無疑問快排所進行的比較操作是最少啦~)。

那麼如何模擬出比較操作的耗時時間呢?
這裡我的辦法是藉助訊號量,在兩條執行緒間通訊。

1.讓排序在子執行緒中進行,當需要進行比較操作時,阻塞執行緒,等待訊號的到來。這裡的思想是得到一個訊號才能進行一次比較。

2.主執行緒啟用定時器,每隔0.002秒發出一個訊號,喚醒排序執行緒。

原始碼

https://github.com/JiongXing/JXSort

參考

Swift演算法俱樂部中文版 — 插入排序
演算法筆記-排序01:選擇排序,插入排序,希爾排序
演算法筆記-排序02:歸併排序,快速排序
1.2-交換排序-快速排序

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