C语言实现冒泡排序的三种优化和qsort函数的解析与模拟实现
文章目录
- 冒泡排序
-
- 普通版本
- 对外层循环进行优化
- 对内循环进行优化
- 双向冒泡排序
- qsort函数
-
- 分析与使用
- 模拟实现qsort函数
冒泡排序
当我们第一次提起冒泡排序的时候，我们总是要问什么是冒泡排序呢？
简单的说，就是重复地走访过要排序的元素列，依次比较两个相邻的元素，如果顺序（如从大到小、首字母从Z到A）错误就把他们交换过来。走访元素的工作是重复地进行直到没有相邻元素需要交换，也就是说该元素列已经排序完成。
而这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端（升序或降序排列），就如同碳酸饮料中二氧化碳的气泡最终会上浮到顶端一样，故名“冒泡排序”。
普通版本
我们先对整数类型的数据进行排序，比如我们要排 5 6 1 3 4 2 7 8 这8个数字，令它们变成有序数组。
图片分析如下：
代码如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 程序执行结果如下： 
对外层循环进行优化
大家请先看第三轮到最后一轮的排序：
不知道大家发现一个问题没有，上面从第四趟开始就已经是有序的了，但是我们的程序还是要跑一次，我们可以从这个地方入手来优化。
思路如下：
我们可以设一个变量flag等于0，在每一趟过程中；如果程序验证到前面的数比后面的数大，说明数组还没有序，并且令变量flag置为1。如果在一趟过程中都没有数比后面的数更大了，变量flag不作任何修改仍然为0，说明数组已经有序。
最后我们在每一趟结束后判断变量flag是否为0；如果flag为1，说明数组还没有排序好，程序仍然继续下一趟排序；如果flag为0，说明数组已经排序好了，不进行下一趟排序，退出。从而达到减少趟数的效果。
代码如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 对内循环进行优化
大家再来看看原来数组排序的过程：
大家发现一个问题没有，那就是在排序过程中后面一小段本来已经是有序的了，不需要我们再进行排序，我们只需要排序到最后元素交换的地方就可以了。
思路如下：
我们设个变量max来记录，最后一次元素交换的下标，从而我们在下一趟的排序中，只需要排序到变量max的地方即可，并且加上上面分析的趟数优化即可。
代码如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 双向冒泡排序
我们在排序的过程中有时候会碰到特殊的例子，比如排序：9 1 2 3 4 5 6 0 。最大数9在最左边，而最小数0却在最右变，如果还是按照上面的方法优化是节省不了多少步数的。我们还需要另外一种方法才行。
思路如下：
这时候我们会想如果把最大数9和最小数0调换位置不就可以了嘛，所以我们想到了既然数组可以从左向右遍历，那也可以从右往左遍历。从左向右把最大的数移到最右；从右往左把最小的数移到最左。我们设两个变量left和right，当left小于right排序才执行，不然就退出。然后再加上前面的两种优化退出方式。
图片分析如下：
代码如下：
//最终版本优化
void BubbleSort3(int* p, int sz)
{
int left = 0; //左边起始下标为0
int right = sz - 1; //右边起始下标为最后一个元素
int max = 0;
int min = 0;
while (left < right)
{
int i = 0;
int flag = 0;
// 从左边到右边排序
for (i = left; i < right; i++)
{
if (p[i] > p[i + 1])
{
int tmp = p[i];
p[i] = p[i + 1];
p[i + 1] = tmp;
flag = 1;
// 保存交换的下标
max = i;
}
}
//把最后交换的下标赋值给right
right = max;
if (flag == 0)
{
return ;
}
// 从右边往左边排序
flag = 0; //要把flag重新置为0
for (i = right; i > left; i--)
{
if (p[i] < p[i - 1])
{
int tmp = p[i];
p[i] = p[i - 1];
p[i - 1] = tmp;
flag = 1;
min = i;
}
}
//把最后交换的下标赋值给right
left = min;
if (flag == 0)
{
return ;
}
}
}
qsort函数
大家发现没有，前面分析的冒泡排序只能对整数进行排序，当我们想对字符串或者字符类型排序时就实现不了，那么有什么方法来解决呢？
我们就得提起qsort函数了，它能够对任何类型进行排序，下面是它的用法与解析。
分析与使用
值得注意的是最后一个参数是函数指针类型，它要我们写一个函数来实现比较两个元素，然后qsort函数会自动帮我们进行排序。
使用举例：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 程序执行结果如下：
模拟实现qsort函数
经过上面的举例使用我们大概了解qsort函数的特性，那么再结合我们前面所分析的冒泡排序，我们能不能使用冒泡排序来模拟实现qsort函数呢？
分析如下：
我们实现这个函数有两个难点：第一是怎么找到我的下一位元素呢？因为数组的第一个元素指针是void* 类型的，从而加减的步伐大小就不能确定。
第二个难点，就算确定两个元素了，因为数组的第一个元素指针是void* 类型的，就不能进行解引用，从而就不能进行元素之间进行交换了。
那么有没有解决的办法呢？
我们再来看看qsort函数的四个参数，其中第三个参数比较有特点，要把数组中的元素大小传过去，这有什么用处呢？这个参数是实现qsort函数的关键。
我们知道在所有指针类型当中，char* 类型指针的步伐是最小的，每次加一就跳过一个字节，所以当我们知道元素的大小即宽度之后，我们把第一个元素指针是void* 强制转化为char* 类型，在循环体中用个变量j乘上宽度再加上第一个元素指针，这样可以随便找到数组中的任意元素。
而我们知道元素的宽度，在两个元素交换的时候我们可以一个字节一个字节的交换，交换的次数就是元素的宽度。这样两个难点就解决了。
代码实现如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 注意：qsort函数可以帮我们实现很多类型的排序，但是我们要自己写一个能比较两个元素大小的函数，并且把函数地址传给qsort。
程序执行结果：
