Python实战(05)：使用Matplotlib让排序算法动起来

一、前言

算法在大学计算机里面是必修的课程，而排序算法又是算法内容里面的重中之重。了解算法有助于提升编程能力、增强自身逻辑思考能力、提升代码质量。但是好想学好算法也是有一定的难度的。主要原因在于算法过于抽象，不容易理解。

但是我们看看下图这样动态方式实现冒泡排序，是不是感觉更加容易理解了！！！

正好这几天正在学习python知识点，在学习Matplotlib模块时想到，我们能不能利用这个框架将排序算法做成可视化的样子，这样对于初学算法的同学岂不是又很大帮助。撸起袖子，说干就干。

二、准备

1. 安装matplotlib

# Windows 系统安装 Matplotlib
python -m pip install -U pip setuptools
python -m pip install matplotlib

注：因为国内网速的原因，有时下载会超时，建议使用国内的pip源

# Windows 系统安装 Matplotlib
python -m pip install -U pip setuptools -i https://pypi.douban.com/simple
python -m pip install matplotlib -i https://pypi.douban.com/simple

2. 绘制柱状图
   至于如何使用Matplotlib，大家可以查看菜鸟教程：NumPy Matplotlib 的内容。里面还是特别全的。

3. 让柱状图动起来
   上面的教程里面知识只有绘制静态的柱状图，我们需要排序算法每次交换位置都展示出来，达到一种动态的效果。其实这个也是比较简单的，就是每次讲原有的绘制结果擦除掉，然后重新绘制。绘制完了停顿一定的时间，然后进入下次绘制。

不多说了，开始撸代码吧！！！

三、源码

排序算法的代码这里我就不说了，上网找就可以找到一大堆。这里我使用了https://blog.csdn.net/woshichaoren1/article/details/86520233博文里面的算法代码，再经过我的调整后如下所示，这里一共展示了4中可视化算法：

# -*- coding: utf-8 -*-
from matplotlib import pyplot as plt
import random

LIST_SIZE = 40
PAUSE_TIME = 4 / LIST_SIZE


# 冒泡算法
def bubble_sort(nums):
    for i in range(len(nums) - 1):
        for j in range(len(nums) - i - 1):
            if nums[j] > nums[j + 1]:
                nums[j], nums[j + 1] = nums[j + 1], nums[j]
            plt.cla()  # 清除内容
            plt.bar(range(len(nums)), nums, align='center')
            plt.bar(j, nums[j], color="r", align="center")
            plt.bar(j + 1, nums[j + 1], color="r", align="center")
            plt.pause(PAUSE_TIME)
    plt.show()


# 插入排序
def insert_sort(nums):
    for i in range(1, len(nums)):
        pos = 0
        for j in range(i - 1, -1, -1):
            if nums[i] > nums[j]:
                pos = j + 1
                break
        temp = nums[i]
        for x in range(i, pos - 1, -1):
            nums[x] = nums[x - 1]
            nums[pos] = temp
            plt.cla()  # 清除内容
            plt.bar(range(len(nums)), nums, align='center')
            plt.bar(i, nums[i], color="r", align="center")
            plt.bar(x, nums[x], color="g", align="center")
            plt.bar(pos, nums[pos], color="r", align="center")
            plt.pause(PAUSE_TIME)
    plt.show()


# 选择排序
def selection_sort(nums):
    for i in range(0, len(nums)):
        min = i
        for j in range(i + 1, len(nums)):
            if nums[j] < nums[min]:
                min = j
            plt.cla()  # 清除内容
            plt.bar(range(len(nums)), nums, align='center')
            plt.bar(i, nums[i], color="r", align="center")
            plt.bar(j, nums[j], color="r", align="center")
            plt.pause(PAUSE_TIME)
        nums[i], nums[min] = nums[min], nums[i]
    plt.show()

# 希尔排序
def shell_sort(nums):
    step = len(nums)
    while True:
        step = int(step / 3 + 1)
        for n in range(step):
            for i in range(n + step, len(nums), step):
                pos = n
                for j in range(i - step, -1, -step):
                    if nums[i] > nums[j]:
                        pos = j + step
                        break
                temp = nums[i]
                for x in range(i, pos - step, -step):
                    plt.cla()  # 清除内容
                    nums[x] = nums[x - step]
                    plt.bar(range(len(nums)), nums, align='center')
                    plt.bar(pos, nums[pos], color="r", align="center")
                    plt.bar(x, nums[x], color="r", align="center")
                    plt.pause(PAUSE_TIME)
                nums[pos] = temp
        if step <= 1:
            break
    plt.show()


if __name__ == "__main__":
    nums = []
    for i in range(LIST_SIZE):
        nums.append(random.randint(0, 1000))

    bubble_sort(nums)
    # insert_sort(nums)
    # selection_sort(nums)
    # shell_sort(nums)
    print(nums)

四、可视化效果

1. 冒泡算法：
   
2. 插入排序
   
3. 选择排序
   
4. 哈希排序