经典算法（1）：冒泡排序及其优化
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经典算法（4）一文搞懂什么是 快速排序
冒泡排序
在平常的学习中用到了冒泡排序，这篇博客对冒泡排序算法进行了详细的代码实现，并且进行了两次优化，供大家一起参考学习。
目录
- 一、什么是冒泡排序
- 二、冒泡排序算法的思想
- 三、代码实现
- 1.第一次优化
- 2.第二次优化
一、什么是冒泡排序
冒泡排序是一种最基础的交换排序。冒泡排序就像水冒泡，小（大）的元素经过不断的交换由水底慢慢的浮到水的顶端。
二、冒泡排序算法的思想
我们从左边开始把相邻的两个数两两做比较，当一个元素大于右侧与它相邻的元素时，交换它们之间位置，反之，它们之间的位置不发生变化。冒泡排序是一种稳定的排序算法。
（注：此动图来源于网络）
| 时间复杂度 | 空间复杂度 |
|---|---|
| O(n^2) | O(1) |
三、代码实现
public class BubbleSort1 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:");
Scanner input = new Scanner(System.in);
String str = input.nextLine();
// 将字符串按照","拆分成字符串数组
String[] strArray = str.split(",");
// 新建数组用来存储拆分出来的每个值
int[] array = new int[strArray.length];
// 给数组循环遍历赋值
for (int i = 0; i < strArray.length; i++) {
array[i] = Integer.parseInt(strArray[i]);
}
System.out.println("排序前的数组：" + Arrays.toString(array));
// 排序
sort(array);
System.out.println("排序后的数组：" + Arrays.toString(array));
}
/**
* 用冒泡排序算法对数组进行排序
* @param array
*/
private static void sort(int[] array) {
// array.length - 1是因为最后一轮不需要排序
for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
System.out.println("第" + (i + 1) + "趟");
// array.length - i是因为每一轮都能确定排序好一个数
for (int j = 0; j < array.length - 1 - i; j++) {
int temp = 0;
if (array[j] > array[j + 1]) {
temp = array[j];
array[j] = array[j + 1];
array[j + 1] = temp;
}
System.out.println(" 第" + (j + 1) + "次：" + Arrays.toString(array));
}
}
}
}
算法执行结果：
输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:
6,9,8,3,2,11,15,16,18,19
排序前的数组：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第1趟
第1次：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 8, 9, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 8, 3, 9, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第9次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2趟
第1次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 3, 8, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3趟
第1次：[3, 6, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第9趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
排序后的数组：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
从上图中的运行结果可以看出，第5趟排序后就已经是有序的了，可是算法还是进行了后面的排序，因此对算法进行以下的第一次优化。
1.第一次优化
增加一个标记(flag)，每次发生交换，就进行标记，如果某次循环完没有标记，则说明已经完成排序，数组有序，剩下的几趟排序就不需要再去执行了，可以提前结束排序。
public class BubbleSort2 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:");
Scanner input = new Scanner(System.in);
String str = input.nextLine();
// 将字符串按照","拆分成字符串数组
String[] strArray = str.split(",");
// 新建数组用来存储拆分出来的每个值
int[] array = new int[strArray.length];
// 给数组循环遍历赋值
for (int i = 0; i < strArray.length; i++) {
array[i] = Integer.parseInt(strArray[i]);
}
System.out.println("排序前的数组：" + Arrays.toString(array));
// 排序
sort(array);
System.out.println("排序后的数组：" + Arrays.toString(array));
}
/**
* 用冒泡排序算法对数组进行排序
*
* @param array
*/
private static void sort(int[] array) {
for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
System.out.println("第" + (i + 1) + "趟");
// 优化冒泡排序，增加判断位，有序标记，每一轮的初始是true
boolean flag = true;
for (int j = 0; j < array.length - 1 - i; j++) {
// 找最小数，如果前一位比后一位大，则交换位置
int temp = 0;
if (array[j] > array[j + 1]) {
temp = array[j];
array[j] = array[j + 1];
array[j + 1] = temp;
// 有元素交换，所以不是有序，标记变为false
flag = false;
}
System.out.println(" 第" + (j + 1) + "次：" + Arrays.toString(array));
}
// 说明上面内层for循环中，没有交换任何元素，直接跳出外层循环
if (flag) {
break;
}
}
}
}
算法执行结果：
输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:
6,9,8,3,2,11,15,16,18,19
排序前的数组：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第1趟
第1次：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 8, 9, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 8, 3, 9, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第9次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2趟
第1次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 3, 8, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3趟
第1次：[3, 6, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
排序后的数组：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
从第一次优化后的结果可以看出，在每趟排序中，右面的许多元素已经是有序的结果了，可算法还是进行后面数值的排序，因此进行第二次优化。
2.第二次优化
定义arrBoundary 是无序数组的边界，每次比较比到这里为止，不需要进行后面的排序了。
public class BubbleSort3 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:");
Scanner input = new Scanner(System.in);
String str = input.nextLine();
// 将字符串按照',"拆分成字符串数组
String[] strArray = str.split(",");
// 新建数组用来存储拆分出来的每个值
int[] array = new int[strArray.length];
// 给数组循环遍历赋值
for (int i = 0; i < strArray.length; i++) {
array[i] = Integer.parseInt(strArray[i]);
}
System.out.println("排序前的数组：" + Arrays.toString(array));
// 排序
sort(array);
System.out.println("排序后的数组：" + Arrays.toString(array));
}
/**
* 用冒泡排序算法对数组进行排序
*
* @param array
*/
private static void sort(int[] array) {
// 用来交换的临时数
int temp = 0;
// 最后一次交换的下标
int lastSwapIndex = 0;
// 无序数组的边界，每次比较比到这里为止
int arrBoundary = array.length - 1;
for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
System.out.println("第" + (i + 1) + "趟");
// 优化冒泡排序，增加判断位，有序标记，每一轮的初始是true
boolean flag = true;
for (int j = 0; j < arrBoundary; j++) {
// 找最小数，如果前一位比后一位大，则交换位置
if (array[j] > array[j + 1]) {
temp = array[j];
array[j] = array[j + 1];
array[j + 1] = temp;
// 有元素交换，所以不是有序，标记变为false
flag = false;
// 最后一次交换元素的位置
lastSwapIndex = j;
}
System.out.println(" 第" + (j + 1) + "次：" + Arrays.toString(array));
}
// 把最后一次交换元素的位置赋值给无序数组的边界
arrBoundary = lastSwapIndex;
// 说明上面内层for循环中，没有交换任何元素，直接跳出外层循环
if (flag) {
break;
}
}
}
}
算法执行结果：
输入要排序的值，输入的每个值用逗号隔开:
6,9,8,3,2,11,15,16,18,19
排序前的数组：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第1趟
第1次：[6, 9, 8, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 8, 9, 3, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 8, 3, 9, 2, 11, 15, 16, 18, 19]
第4次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第6次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第7次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第8次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第9次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2趟
第1次：[6, 8, 3, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[6, 3, 8, 2, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3次：[6, 3, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第3趟
第1次：[3, 6, 2, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第2次：[3, 2, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第4趟
第1次：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
第5趟
排序后的数组：[2, 3, 6, 8, 9, 11, 15, 16, 18, 19]
注：冒泡排序里面需要交换两个元素的位置，交换两个元素可以用异或的操作，这样不需要创建第三个变量，减少内存开销。
可以对排序过程中交换两个元素的方法修改如下：
if (array[j] > array[j + 1]) {
array[j + 1] ^= array[j];
array[j] ^= array[j + 1];
array[j + 1] ^= array[j];
}
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