用C语言对学生成绩进行排序（归并排序与基数排序）

一.前言

我们内部排序已经学了插入排序（直接插入排序、折半插入排序、希尔排序），交换排序（冒泡排序、快速排序），选择排序（简单选择排序、堆排序），这些都属于内部排序，接下来我们学习内部排序里面剩下的归并排序和基数排序。

二.归并排序

1.算法思路

归并排序与上述基于交换、选择等排序的思想不一样，“归并”的含义是将两个或两个以上的有序表合并成一个新的有序表。假定待排序表含有n个记录，则可将其视为n个有序的子表，每个子表的长度为1,然后两两归并，得到[n/2]个长度为2或1的有序表;继续两两归并…如此重复，直到合并成-一个长度为n的有序表为止，这种排序方法称为2路归并排序。
分解:将含有n个元素的待排序表分成各含n/2个元素的子表，采用2路归并排序算法对两
个子表递归地进行排序。
合并:合并两个已排序的子表得到排序结果。

2.举例

3.性能分析

• 空间效率: Merge ()操作中，辅助空间刚好为n个早兀，所以算法的空间复朵度为O(n)。
• 时间效率:每趟归并的时间复杂度为O(n)，共需进行[log₂ n]趟归并，所以算法的时间复杂度为O(nlog₂ n)。
• 稳定性:由于Merge ()操作不会改变相同关键字记录的相对次序，所以2路归并排序算法是一种稳定的排序方法。

三.基数排序

1.算法思路

为实现多关键字排序，通常有两种方法:第-一种是最高位优先(MSD)法，按关键字位权重
递减依次逐层划分成若干更小的子序列，最后将所有子序列依次连接成-一个有序序列。第二种是最低位优先(LSD) 法，按关键字位权重递增依次进行排序，最后形成一个有序序列。

对i=0,d-1，依次做一-次“分配”和“收集”(其实是一次稳定的排序过程)。

• 分配:开始时，把Qo, .,., Q-1各个队列置成空队列，然后依次考察线性表中的每个结点a; (j=0,1,.,n-1)， 若a;的关键字k;=k,就把a;放进Qk队列中。
• 收集:把Qo, 0.,-, Qr1各个队列中的结点依次首尾相接，得到新的结点序列，从而组成新的线性表。

2.举例

通常采用链式基数排序，假设对如下10个记录进行排序:

依次取个位、十位、百位进行分配和收集：

每个关键字是1000 以下的正整数，基数r= 10，在排序过程中需要借助10个链队列，每个关键字由3位子关键字构成K’K2K’,分别代表百位、十位和个位，一共需要进行三趟“分配”和“收集”操作。第一趟分配用最低位子关键字K3进行，将所有最低位子关键字(个位)相等的记录分配到同一个队列，如图(a)所示，然后进行收集操作，第一趟收集后 的结果如图(b)所示。

第二趟分配用次低位子关键字K2 进行，将所有次低位子关键字(十位)相等的记录分配到
同一个队列，如图(a)所示，第二趟收集后的结果如图(b)所示。

第三趟分配用最高位子关键字K’ 进行，将所有最高位子关键字(百位)相等的记录分配到
同一个队列，如图(a)所示，第三趟收集后的结果如图(b)所示，至此整个排序结束。

3.性能分析

• 空间效率:一趟排序需要的辅助存储空间为r (r个队列: r个队头指针和r个队尾指针)，但以后的排序中会重复使用这些队列，所以基数排序的空间复杂度为0®。
• 时间效率:基数排序需要进行d趟分配和收集，一趟分配需要O(n),一趟收集需要0®,所以基数排序的时间复杂度为O(d(n + r)),它与序列的初始状态无关。
• 稳定性:对于基数排序算法而言，很重要一点就是按位排序时必须是稳定的。因此，这也保证了基数排序的稳定性。

四.排序算法代码

1.归并排序

Merge()的功能是将前后相邻的两个有序表归并为一个有序表。设两段有序表A[low.mid]、A[mid1…high]存放在同-顺序表中的相邻位置，先将它们复制到辅助数组B
中。每次从对应B中的两个段取出一一个 记录进行关键字的比较，将较小者放入A中，当数组B中有一段的下标超出其对应的表长(即该段的所有元素都已复制到A中)时，将另一段中的剩余部分直接复制到A中。算法如下:

//归并函数
Elemtype *A=(Elemtype *)malloc(MaxSize * sizeof(Elemtype));      //辅助数组
void Merge(SqList &L,int low,int mid,int high){     //这里三个指针不是为了快排，而是为了方便指示序列长度
	int i,j,k;
	for(k=low;k<=high;k++)
		A[k]=L.data[k];                                        //将L.data[]的所有元素复制到A中
	for(i=low,j=mid+1,k=i;i<=mid && j<=high;k++){
		if(A[i].grade<=A[j].grade)
			L.data[k]=A[i++];                       //比较左右两端元素的大小
		else
			L.data[k]=A[j++];
	}
	while(i<=mid)    L.data[k++]=A[i++];         //没检测完的直接复制
	while(j<=high)   L.data[k++]=A[j++];
}

//归并排序函数
void Mergesort(SqList &L,int low,int high){
	if(low<high){
		int mid=(low+high)/2;            //从中间划分两个子序列
		Mergesort(L,low,mid);           //对左侧子树进行递归排序
		Mergesort(L,mid+1,high);         //对右侧子树进行递归排序
		Merge(L,low,mid,high);          //归并
	}
}

2.基数排序

//基数排序
void Basesort(LinkNode &L, Saquene queue[]) {
	for (int radix = 1; radix <= 100; radix *= 10) { // 对每个位数进行排序
		// 入队列
		LinkNode p = L->next;
		while (p != NULL) {
			int i = (p->data.grade / radix) % 10;
			enQueue(queue[i], &(p->data));
			p = p->next;
		}
		// 出队列
		LinkNode tail = L;
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			while (!QueueEmpty(queue[i])) {
				Elemtype e;
				deQueue(queue[i], &e);
				LinkNode newNode = (LinkNode)malloc(sizeof(LNode));
				newNode->data = e;             //不断的“收集”
				newNode->next = NULL;
				tail->next = newNode;        //tail相当于一个头结点
				tail = newNode;
			}
		}
	}
}

五.完整C语言测试代码

1.测试归并排序

/*我们今天的主角是归并排序，所以我们还是利用线性表来进行模拟*/

/*为了便于我们后面演示希尔排序，所以我们采用顺序存储结构*/
#include 
#include 
#include 

#define MaxSize 50                //这里只是演示，我们假设这里最多存五十个学生信息

//定义学生结构
typedef struct {
	char name[200];              //姓名
	int  grade;               //分数，这个是排序关键字
} Elemtype;

//声明使用顺序表
typedef struct {
	/*这里给数据分配内存，可以有静态和动态两种方式，这里采用动态分配*/
	Elemtype  *data;            //存放线性表中的元素是Elemtype所指代的学生结构体
	int length;                 //存放线性表的长度
} SqList;						//给这个顺序表起个名字，接下来给这个结构体定义方法

//初始化线性表
void InitList(SqList &L){
	/*动态分配内存的初始化*/
	L.data = (Elemtype*)malloc(MaxSize * sizeof(Elemtype));  //为顺序表分配空间
	L.length = 0;                                            //初始化长度为0
}

//求表长函数
int Length(SqList &L){
	return L.length;
}

//求某个数据元素值
bool GetElem(SqList &L, int i, Elemtype &e) {
	if (i < 1 || i > L.length)
		return false;         //参数i错误时，返回false
	e = L.data[i - 1];      //取元素值
	return true;
}

//输出线性表
void DispList(SqList &L) {
	if (L.length == 0)
		printf("线性表为空");
	//扫描顺序表，输出各元素
	for (int i = 0; i < L.length; i++) {
		printf("%s        %d", L.data[i].name,  L.data[i].grade);
		printf("\n");
	}
	printf("\n");
}

//插入数据元素
bool ListInsert(SqList &L, int i, Elemtype e) {
	/*在顺序表L的第i个位置上插入新元素e*/
	int j;
	//参数i不正确时，返回false
	if (i < 1 || i > L.length + 1 || L.length == MaxSize)
		return false;
	i--;                //将顺序表逻辑序号转化为物理序号
	//参数i正确时，将data[i]及后面的元素后移一个位置
	for (j = L.length; j > i; j--) {
		L.data[j] = L.data[j - 1];
	}
	L.data[i] = e;      //插入元素e
	L.length++;         //顺序表长度加1
	return true;
	/*平均时间复杂度为O(n)*/
}

//归并函数
Elemtype *A=(Elemtype *)malloc(MaxSize * sizeof(Elemtype));      //辅助数组
void Merge(SqList &L,int low,int mid,int high){     //这里三个指针不是为了快排，而是为了方便指示序列长度
	int i,j,k;
	for(k=low;k<=high;k++)
		A[k]=L.data[k];                                        //将L.data[]的所有元素复制到A中
	for(i=low,j=mid+1,k=i;i<=mid && j<=high;k++){
		if(A[i].grade<=A[j].grade)
			L.data[k]=A[i++];                       //比较左右两端元素的大小
		else
			L.data[k]=A[j++];
	}
	while(i<=mid)    L.data[k++]=A[i++];         //没检测完的直接复制
	while(j<=high)   L.data[k++]=A[j++];
}

//归并排序函数
void Mergesort(SqList &L,int low,int high){
	if(low<high){
		int mid=(low+high)/2;            //从中间划分两个子序列
		Mergesort(L,low,mid);           //对左侧子树进行递归排序
		Mergesort(L,mid+1,high);         //对右侧子树进行递归排序
		Merge(L,low,mid,high);          //归并
	}
}

int main(){
	SqList L;
	Elemtype stuents[10]={{"张三",649},{"李四",638},{"王五",665},{"赵六",697},{"冯七",676},
		{"读者",713},{"阿强",627},{"杨曦",649},{"老六",655},{"阿黄",604}};
	//这一部分忘了的请回顾我的相关博客
	printf("初始化顺序表并插入开始元素：\n");
	InitList(L);         //这时是一个空表，接下来通过插入元素函数完成初始化
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		ListInsert(L, i + 1, stuents[i]);
	DispList(L);
	printf("根据分数进行归并排序后结果为:\n");
	int low=0,high=L.length-1;
	Mergesort(L,low,high);
	DispList(L);
}

2.测试基数排序

#include 
#include 
#include 
#define MaxSize 50       //定义队列元素的最大个数
//定义学生结构
typedef struct {
	char name[20];              //姓名
	int  grade;               //分数
} Elemtype;

//声明链表
typedef struct LNode
{
	Elemtype data;
	struct LNode *next;
}LNode,*LinkNode;

//和上次实验的不同，上次实验初始化是建立一个头结点把next置为空
//这里用LinkNode L表示一个链表，用LNode *表示一个结点（该思路来源于王道考研）
//不带头结点链表的初始化
bool InitList1(LinkNode &L)
{
	L=NULL;
	return true;
}

//带头结点链表的初始化
bool InitList2(LinkNode &L){
	L=(LNode *)malloc(sizeof(LNode));
	if(L==NULL)
		return false;
	L->next=NULL;
	return true;
}

//尾插法建立单链表
void CreateListR(LinkNode &L,Elemtype a[],int n)
{
	LNode *s,*r;                      //r位始终指向尾结点的指针，而s为指向要插入结点的过度指针
	//头节点已存在，不再在这里建立了
	r=L;                       //r始终指向尾节点，但初始时指向头节点（初始时头节点即为尾节点）
	for(int i=0;i<n;i++)
	{
		s=(LNode * )malloc(sizeof(LNode));  //创建数据新节点
		s->data=a[i];                            //将数组元素赋值给新节点s的数据域
		r->next=s;                               //将s放在原来尾指针r的后面
		r=s;
	}
	r->next=NULL;                              //插入完成后，尾节点的next域为空
}

//头插法建立单链表
void CreateListF(LinkNode &L,Elemtype a[],int n)
{
	LNode *s;
	//头节点已存在，不再在这里建立了
	for(int i=0;i<n;i++)
	{
		s=(LNode * )malloc(sizeof(LNode));   //创建数据新节点
		s->data=a[i];                              //将数组元素赋值给s的数据域
		s->next=L->next;                          //将s放在原来L节点之后
		L->next=s;
	}
}
/*头插法和尾插法一定要画图弄清思路*/

//按序号查找结点
LNode *GetElem(LinkNode &L,int i){
	if(i<1)
		return NULL;
	int j=1;
	LNode *p=L->next;
	while(p!=NULL && j<i){
		p=p->next;
		j++;
	}
	return p;
}

//插入数据元素
bool ListInsert(LinkNode &L,int i,Elemtype e)
{
	/*在链表L的第i个位置上插入新元素e*/
	int j=0;
	LNode *p=L,*s;      //p开始指向头节点，s为存放数据新节点
	if(i<=0)               //位置不对就报错
		return false;
	while(j<i-1 && p!=NULL)       //定位，使p指向第i-1个节点
	{
		j++;
		p=p->next;
	}
	if(p==NULL)                 //如果没找到第i-1个节点就报错
		return false;
	else                        //成功定位后，执行下面操作
	{
		s=(LNode * )malloc(sizeof(LNode));          //创建新节点s，其数据域置为e
		s->data=e;
		s->next=p->next;                                //创建的新节点s放在节点p之后
		p->next=s;
		return true;
	}
}

//输出线性表
void DispList(LinkNode &L)
{
	LinkNode p=L->next;                   //p指向首节点
	while(p!=NULL)                         //p不为空就输出p节点的data域
	{
		printf("%s        %d\n",p->data.name,p->data.grade);
		p=p->next;	                       //p移向下一位节点
	}
	printf("-------------------------------\n");
}

//定义循环顺序队列结构体
typedef struct {
	Elemtype data[MaxSize]; //存放队中元素
	int front, rear; //队头和队尾的伪指针
} SqQueue, *Saquene; //顺序队类型

//初始化队列
void InitQueue(Saquene *q) {
	*q = (SqQueue *) malloc(sizeof(SqQueue)); //申请一个顺序队大小的空队列空间
	(*q)->front = (*q)->rear = 0; //队头和队尾的伪指针均设置伪-1
}

//销毁队列
void DestroyQueue(Saquene q) {
	free(q); //释放q所占的空间即可
}

//判断空队列
int QueueEmpty(Saquene q) {
	return (q->front == q->rear);
}

//进队列
int enQueue(Saquene q, Elemtype *e) {
	if ((q->rear + 1) % MaxSize == q->front) //队满上溢出报错
		return 0;
	q->rear = (q->rear + 1) % MaxSize; //队尾增1
	q->data[q->rear] = *e; //rear位置插入元素e
	return 1;
}

//出队列
int deQueue(Saquene q, Elemtype *e) {
	if (q->rear == q->front) //队空下溢出报错
		return 0;
	q->front = (q->front + 1) % MaxSize; //队头增1
	*e = q->data[q->front];
	return 1;
}

//基数排序
void Basesort(LinkNode &L, Saquene queue[]) {
	for (int radix = 1; radix <= 100; radix *= 10) { // 对每个位数进行排序
		// 入队列
		LinkNode p = L->next;
		while (p != NULL) {
			int i = (p->data.grade / radix) % 10;
			enQueue(queue[i], &(p->data));
			p = p->next;
		}
		// 出队列
		LinkNode tail = L;
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			while (!QueueEmpty(queue[i])) {
				Elemtype e;
				deQueue(queue[i], &e);
				LinkNode newNode = (LinkNode)malloc(sizeof(LNode));
				newNode->data = e;             //不断的“收集”
				newNode->next = NULL;
				tail->next = newNode;        //tail相当于一个头结点
				tail = newNode;
			}
		}
	}
}
/*这里容易产生一个思维误区，由于我们这里是链表，它是一个一个结点构成的，在我们进队操作时，原来的链表相当于被我们打散了
  分成一个个结点插入不同的队列中，在后面收集的出队过程中，我们又把每个结点拿出来重新链接，所以最后结果就相当于在原来的线性表L上修改*/
int main(){
	LinkNode L;
	Elemtype stuents[10]={{"张三",649},{"李四",638},{"王五",665},{"赵六",697},{"冯七",676},
		{"读者",713},{"阿强",627},{"杨曦",649},{"老六",655},{"阿黄",604}};
	printf("初始化顺序表并插入开始元素：\n");
	InitList2(L);         //这时是一个空表，接下来通过插入元素函数完成初始化
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		ListInsert(L, i + 1, stuents[i]);
	DispList(L);
	//这一步是验证了插入函数是正确的，我们通过for循环插入
	//同时，我还写了头插法和尾插法建立单链表，可以直接使用这两个算法建立单链表，把students[]作为参数传入即可
	Saquene queue[10];            //定义十个队列
	for(int i=0;i<10;i++){
		Saquene a;
		InitQueue(&a);
		queue[i]=a;
	}
	
	Basesort(L, queue); // 基数排序
	DispList(L); // 输出排序后的链表
	
	return 0;
	
}

六.测试结果

1.归并排序测试结果

2.基数排序测试结果