總結有關python實作八大排序演算法（上）

這篇文章主要為大家詳細介紹了python實作八大排序演算法的第一篇，具有一定的參考價值，有興趣的夥伴們可以參考一下

##排序

#排序是計算機內經常進行的一種操作，其目的是將一組”無序”的記錄序列調整為”有序”的記錄序列。分內部排序和外部排序。若整個排序過程不需要存取外存便能完成，則稱此類排序問題為內部排序。反之，若參加排序的記錄數量很大，整個序列的排序過程不可能完全在記憶體中完成，需要存取外存，則稱此類排序問題為外部排序。內部排序的過程是一個逐步擴大記錄的有序序列長度的過程。

看圖使理解更清晰深刻：

假定在待排序的記錄序列中，存在多個具有相同的關鍵字的記錄，若經過排序，這些記錄的相對次序保持不變，即在原始序列中，ri=rj，且ri在rj之前，而在排序後的序列中，ri仍在rj之前，則稱這種排序演算法是穩定的；否則稱為不穩定的。

常見排序演算法

快速排序、希爾排序、堆排序、直接選擇排序不是穩定的排序演算法，而基數排序、冒泡排序、直接插入排序、折半插入排序、歸併排序是穩定的排序演算法

本文將用Python實作冒泡排序、插入排序、希爾排序、快速排序、直接選擇排序、堆排序、歸併排序、基數排序這八大排序演算法。

1. 冒泡排序（Bubble Sort）

演算法原理：

已知一組無序資料a[1]、a[ 2]、……a[n]，需將其依升序排列。先比較a[1]與a[2]的值，若a[1]大於a[2]則交換兩者的值，否則不變。再比較a[2]與a[3]的值，若a[2]大於a[3]則交換兩者的值，否則不變。再比較a[3]與a[4]，以此類推，最後比較a[n-1]與a[n]的值。這樣處理一輪後，a[n]的數值一定是這組數據中最大的。再對a[1]~a[n-1]以相同方法處理一輪，則a[n-1]的值一定是a[1]~a[n-1]中最大的。再對a[1]~a[n-2]以相同方法處理一輪，以此類推。共處理n-1輪後a[1]、a[2]、……a[n]就以升序排列了。降序排列與升序排列相類似，若a[1]小於a[2]則交換兩者的值，否則不變，後面以此類推。 總的來講，每一輪排序後最大（或最小）的數將移動到資料序列的最後，理論上總共要進行n(n-1）/2次交換。

優點：穩定;

缺點：慢，每次只能移動相鄰兩個資料。

python程式碼實作：

#!/usr/bin/env python
#coding:utf-8
'''
file:python-8sort.py
date:9/1/17 9:03 AM
author:lockey
email:lockey@123.com
desc:python实现八大排序算法
'''
lst1 = [2,5435,67,445,34,4,34]
def bubble_sort_basic(lst1):
 lstlen = len(lst1);i = 0
 while i < lstlen:
  for j in range(1,lstlen):
   if lst1[j-1] > lst1[j]:
   #对比相邻两个元素的大小，小的元素上浮
    lst1[j],lst1[j-1] = lst1[j-1],lst1[j]
  i += 1
  print &#39;sorted{}: {}&#39;.format(i, lst1)
 print &#39;-------------------------------&#39;
 return lst1
bubble_sort_basic(lst1)

#冒泡排序演算法的改進

對於全員無序或沒有重複元素的序列，上述演算法在同一思路上是沒有改進餘地的，但是如果一個序列中存在重複元素或者部分元素是有序的呢，這種情況下必然會存在不必要的重複排序，那麼我們可以在排序過程中加入一標誌性變數change，用於標誌某一趟排序過程中是否有資料交換，如果進行某一趟排序時並沒有進行資料交換，則表示資料已經按要求排列好，可立即結束排序，避免不必要的比較過程，改進後示例代碼如下：

lst2 = [2,5435,67,445,34,4,34]
def bubble_sort_improve(lst2):
 lstlen = len(lst2)
 i = 1;times = 0
 while i > 0:
  times += 1
  change = 0
  for j in range(1,lstlen):
   if lst2[j-1] > lst2[j]:
   #使用标记记录本轮排序中是否有数据交换
    change = j
    lst2[j],lst2[j-1] = lst2[j-1],lst2[j]
  print 'sorted{}: {}'.format(times,lst2)
  #将数据交换标记作为循环条件，决定是否继续进行排序
  i = change
 return lst2
bubble_sort_improve(lst2)

兩種情況下運行截圖如下：

由上圖可以看出，對於部分元素為有序排列的序列，優化後的演算法減少了兩輪排序。

2.選擇排序（Selection Sort）

演算法原理：

每一趟從待排序的資料元素中選出最小（或最大）的一個元素，順序放在已排好序的數列的最後，直到全部待排序的資料元素排完。

n個記錄的檔案的直接選擇排序可經過n-1趟直接選擇排序得到有序結果：

①初始狀態：無序區為R[1..n]，有序區為空。

②第1趟排序
在無序區R[1..n]中選出關鍵字最小的記錄R[k]，將它與無序區的第1個記錄R[1]交換，使R[1..1]和R[2..n]分別變為記錄個數增加1個的新有序區和記錄個數減少1個的新無序區。
……
③第i趟排序
第i趟排序開始時，目前有序區和無序區分別為R[1..i-1]和R(1≤i≤n -1)。此行程排序從目前無序區選出關鍵字最小的記錄R[k]，將它與無序區的第1個記錄R交換，使R[1..i]和R分別變成記錄個數增加1個的新有序區和記錄個數減少1個的新無序區。
這樣，n個記錄的檔案的直接選擇排序可經過n-1趟直接選擇排序得到有序結果。

优点：移动数据的次数已知（n-1次）；
缺点：比较次数多，不稳定。

python代码实现：

# -*- coding: UTF-8 -*-
'''
Created on 2017年8月31日
Running environment：win7.x86_64 eclipse python3
@author: Lockey
'''
lst = [65,568,9,23,4,34,65,8,6,9]
def selection_sort(lst):
 lstlen = len(lst)
 for i in range(0,lstlen):
  min = i
  for j in range(i+1,lstlen):
  #从 i+1开始循环遍历寻找最小的索引
   if lst[min] > lst[j]:
    min = j
  lst[min],lst[i] = lst[i],lst[min]
  #一层遍历结束后将最小值赋给外层索引i所指的位置，将i的值赋给最小值索引  
  print('The {} sorted: {}'.format(i+1,lst))
 return lst
sorted = selection_sort(lst)
print('The sorted result is: {}'.format(sorted))

运行结果截图：

3. 插入排序

算法原理：

已知一组升序排列数据a[1]、a[2]、……a[n]，一组无序数据b[1]、b[2]、……b[m]，需将二者合并成一个升序数列。首先比较b[1]与a[1]的值，若b[1]大于a[1]，则跳过，比较b[1]与a[2]的值，若b[1]仍然大于a[2]，则继续跳过，直到b[1]小于a数组中某一数据a[x]，则将a[x]~a[n]分别向后移动一位，将b[1]插入到原来a[x]的位置这就完成了b[1]的插入。b[2]~b[m]用相同方法插入。（若无数组a，可将b[1]当作n=1的数组a）
优点：稳定，快；
缺点：比较次数不一定，比较次数越多，插入点后的数据移动越多，特别是当数据总量庞大的时候，但用链表可以解决这个问题。

算法复杂度

如果目标是把n个元素的序列升序排列，那么采用插入排序存在最好情况和最坏情况。最好情况就是，序列已经是升序排列了，在这种情况下，需要进行的比较操作需（n-1）次即可。最坏情况就是，序列是降序排列，那么此时需要进行的比较共有n(n-1)/2次。插入排序的赋值操作是比较操作的次数加上 (n-1）次。平均来说插入排序算法的时间复杂度为O(n^2）。因而，插入排序不适合对于数据量比较大的排序应用。但是，如果需要排序的数据量很小，例如，量级小于千，那么插入排序还是一个不错的选择。

python代码实现：

# -*- coding: UTF-8 -*-
'''
Created on 2017年8月31日
Running environment：win7.x86_64 eclipse python3
@author: Lockey
'''
lst = [65,568,9,23,4,34,65,8,6,9]
def insert_sort(lst):
 count = len(lst)
 for i in range(1, count):
  key = lst[i]
  j = i - 1
  while j >= 0:
   if lst[j] > key:
    lst[j + 1] = lst[j]
    lst[j] = key
   j -= 1
  print('The {} sorted: {}'.format(i,lst))
 return lst
sorted = insert_sort(lst)
print('The sorted result is: {}'.format(sorted))

运行结果截图：

由排序过程可知，每次往已经排好序的序列中插入一个元素，然后排序，下次再插入一个元素排序。。。直到所有元素都插入，排序结束

4. 希尔排序

希尔排序(Shell Sort)是插入排序的一种。也称缩小增量排序，是直接插入排序算法的一种更高效的改进版本。希尔排序是非稳定排序算法。该方法因DL．Shell于1959年提出而得名。

算法原理

算法核心为分组（按步长）、组内插入排序

已知一组无序数据a[1]、a[2]、……a[n]，需将其按升序排列。发现当n不大时，插入排序的效果很好。首先取一增量d(d

python代码实现：

#!/usr/bin/env python
#coding:utf-8
'''
file:python-8sort.py
date:9/1/17 9:03 AM
author:lockey
email:lockey@123.com
desc:python实现八大排序算法
'''
lst = [65,568,9,23,4,34,65,8,6,9]
def shell_sort(lists):
 print 'orginal list is {}'.format(lst)
 count = len(lists)
 step = 2
 times = 0
 group = int(count/step)
 while group > 0:
  for i in range(0, group):
   times += 1
   j = i + group
   while j < count:
    k = j - group
    key = lists[j]
    while k >= 0:
     if lists[k] > key:
      lists[k + group] = lists[k]
      lists[k] = key
     k -= group
    j += group
    print &#39;The {} sorted: {}&#39;.format(times,lists)
  group = int(group/step)
 print &#39;The final result is: {}&#39;.format(lists)
 return lists
shell_sort(lst)

运行测试结果截图：

过程分析：

第一步：

1-5：将序列分成了5组（group = int(count/step)）,如下图，一列为一组：

然后各组内进行插入排序，经过5（5组*1次）次组内插入排序得到了序列：

The 1-5 sorted：[34, 65, 8, 6, 4, 65, 568, 9, 23, 9]

第二步：

6666-7777：将序列分成了2组（group = int(group/step)）,如下图，一列为一组：

 

然后各组内进行插入排序，经过8（2组*4次）次组内插入排序得到了序列：

The 6-7 sorted: [4, 6, 8, 9, 23, 9, 34, 65, 568, 65]

第三步：

888888888：对上一个排序结果得到的完整序列进行插入排序：

[4, 6, 8, 9, 23, 9, 34, 65, 568, 65]

经过9（1组*10 -1）次插入排序后：

The final result is: [4, 6, 8, 9, 9, 23, 34, 65, 65, 568]

希爾排序時效分析很難，關鍵碼的比較次數與記錄移動次數依賴於增量因子序列的選取，特定情況下可以準確估算出關鍵碼的比較次數和記錄的移動次數。目前還沒有人給出選取最好的增量因子序列的方法。增量因子序列可以有各種取法，有取奇數的，也有取質數的，但需要注意：增量因子中除1 外沒有公因子，且最後一個增量因子必須為1。希爾排序方法是一個不穩定的排序方法

以上是總結有關python實作八大排序演算法（上）的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！