数据结构课程设计----综合排序

《数据结构课程设计》报告

日期:
项目名称: 综合排序
一、项目简介和需求分析
排序(sorting是计箅机程序设计的一种重要操作,它的功能是将一组任意顺序数据元素(记录),根据某一个(或几个)关键字按一定的顺序里新排列成为有序的序列。由于待排序的记录数量不同,使得排序过程中涉及的存储器的不同,可将排序方法分为两大类:一类是内部排序,指的是待排序的记录存放在计算机随机存储器中进行的排序过程;另一类是外部排序,指的是待排序记录的数量很大,以致内存一次不能容纳全部记录,在排序过程中尚需要对外存进行访问的排序过程。本次课程设计主要是关于内部排序的。
内部排序的方法很多,但就其全面性能而言,很难提出一种被认为是最好的方法,每一种方法都有各自的优缺点,适合在不同的环境(如记录的初始排列状态等)下使用。
本次课程设计就是内部排序中的几个常用排序方法。分析了排序的实质,排序的应用,排序的分类,利用C++语言采用数组存储结构编程实现了本排序综合系统,该系统包含了几种常见的排序方法,有直接插入排序、希尔排序、冒泡排序、快速排序、简单排序。

二、项目设计思路:
(包括数据结构(逻辑结构及存储结构的选择及理由)、程序功能模块设计、 每个模块的输入/输出设计等,可以画类图、流程图等)

问题描述:
排序是程序设计的基本操作,不同的排序算法的性能也不相同。
问题要求:
(1)至少采用四种排序方法实现随机生成100个数值的排序(可采用的排序方法有插入排序、希尔排序、冒泡排序、快速排序、选择排序、堆排序、归并排序)。并把排序后的结果保存在不同的文件中。 
(2)统计每一种排序方法的性能(以上机运行程序所花费的时间为准进行对比),找出其中两种较快的方法。

三、源程序及注释(说明每个文件的文件名即可,电子档的*.h和*.cpp文件压缩传到FTP上):



摘   要	1
1 引  言	2
2 系统分析	3
2.1 功能需求	3
2.1.1总体要求	3
2.1.2 本人所做模块	3
2.2数据需求	3
3 详细设计与分析	4
31设计思路	4
3.2整体设计方案	5
3.3各种操作函数	6
3.4主函数	6
3.5编码	9
4 测试系统	13
4.1设计测试数据	14
4.2测试结果与分析	14
结  论	16
致  谢	17
参考文献	18
附录	19


摘   要
排序(sorting是计箅机程序设计的一种重要操作,它的功能是将一组任意顺序数据元素(记录),根据某一个(或几个)关键字按一定的顺序里新排列成为有序的序列。由于待排序的记录数量不同,使得排序过程中涉及的存储器的不同,可将排序方法分为两大类:一类是内部排序,指的是待排序的记录存放在计算机随机存储器中进行的排序过程;另一类是外部排序,指的是待排序记录的数量很大,以致内存一次不能容纳全部记录,在排序过程中尚需要对外存进行访问的排序过程。本次课程设计主要是关于内部排序的。
内部排序的方法很多,但就其全面性能而言,很难提出一种被认为是最好的方法,每一种方法都有各自的优缺点,适合在不同的环境(如记录的初始排列状态等)下使用。
本次课程设计就是内部排序中的几个常用排序方法。分析了排序的实质,排序的应用,排序的分类,利用C语言采用数组存储结构编程实现了本排序综合系统,该系统包含了几种常见的排序方法,有直接插入排序、希尔排序、冒泡排序、快速排序、简单排序。

关键词:内部排序,外部排序,重新排列,关键字

1 引  言 
1.1问题的提出
排序是计算机内经常进行的一种操作,其目的是将一组“无序”的记录序列调整为“有序”的记录序列。分内部排序和外部排序。若整个排序过程不需要访问外存便能完成,则称此类排序问题为内部排序。反之,若参加排序的记录数量很大,整个序列的排序过程不可能在内存中完成,则称此类排序问题为外部排序。内部排序的过程是一个逐步扩大记录的有序序列长度的过程。
排序算法是数据结构学科经典的内容,其中内部排序现有的算法有很多种,其中包含冒泡排序,直接插入排序,简单选择排序,希尔排序,快速排序,堆排序等,各有其特点。
对排序算法比较的分析可以遵循若干种不同的准则,通常以排序过程所需要的算法步数作为度量,有时也以排序过程中所作的键比较次数作为度量。特别是当作一次键比较需要较长时间,例如,当键是较长的字符串时,常以键比较次数作为排序算法计算时间复杂性的度量。当排序时需要移动记录,且记录都很大时,还应该考虑记录的移动次数。究竟采用哪种度量方法比较合适要根据具体情况而定。在下面的讨论中我们主要考虑所用时间作为复杂性的度量。
1.2C语言
C语言既有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点;既是一个成功的系统设计语言,有时一个使用的程序设计语言;既能用来编写不依赖计算机硬件的应用程序,又能用来编写各种系统程序;是一种受欢迎、应用广泛的程序设计语言。
1.3C语言发展过程
1973年,美国贝尔实验室的D.M.RITCHIE在B语言的基础上最终设计出了一种新的语言,他取了BCPL的第二个字母作为这种语言的名字,这就是C语言。
1977年Dennis M.Ritchie 发表了不依赖于具体机器系统的C语言编译文本《可移植的C语言编译程序》。
1978年Brian W.Kernighian和Dennis M.Ritchie出版了名著《The C Programming Language》,从而使C语言成为目前世界上流行最广泛的高级程序设计语言。	
1.4任务与分析
前面分析了排序的种类以及过程,因此,本系统实现了几种常用的排序方法, 包括:直接插入排序、希尔排序、冒泡排序、非递归的快速排序、简单排序。
2 系统分析
2.1 功能需求
2.1.1总体要求
    任务:
机函数产生N个随机整数(20000以上),对这作数进行多种方法进行排序。
要求:
1)	至少采用4种方法实现上述问题求解(提示,可采用的方法有插入排序、希尔排序、起泡排序、快速排序、选择排序、堆排序、归并排序)。并把排序后的结果保存在不同的文件中。
2)	统计每一种排序方法的性能(以上机运行程序所花费的时间为准进行对比),找出其中两种较快的方法。 
如果采用4种或4种以上的方法者,可适当加分。
2.1.2 本人所做模块
	通过对任务的要求分析,我将任务分成了几个模块,从而实现了任务的总体要求。包括了输入模块、选择排序方法模块、输出模块。其中:
1、输入模块
利用随机函数产生N个数(20000以上),产生的数据个数由用户自己输入。
2、选择排序方法模块
在菜单中通过输入相应的选项编号来选择采用何种算法排序,包括的排序算法有:直接插入排序、希尔排序、冒泡排序、快速排序、简单排序。
3、输出模块
输出排序前的,或者排序后的数据元素到屏幕上显示,并且输出以某种算法排序后的数据元素到文件中保存。
最后让主函数对这几个模块进行调用,从而实现全部功能。
2.2数据需求
利用随机函数产生的随机数。
3 详细设计与分析
31设计思路
1、直接插入排序
思路:设有一组关键字{K1,K2,……,Kn},排序开始便认为K1是一个有序的序列,让 K2插入到表长为1的有序序列,使之成为一个表长为2的有序序列,让K3插入到表长为 2的有序序列,使之成为个表长为3的有序序列,依次类推,最后让Kn插入上述表长为 n-1的有序序列,得到一个表长为n的冇序序列。
2、希尔排序
思路:先取一个正整数dl(dl<n),把全部记录分成dl个组,所有距离为dl的倍数的记录看成是一组,然后在各组内进行插入排序;然后取d2(d2<dl),重复上述分组和排序操作,直到取di=1,即所有记录成为一个组为此.一般选dl约为n/2,d2为dl/2,……,di=l
3、冒泡排序
思路:依次比较相邻的两个数,将小数放在前面,大数放在后面。即在第一趟:首先比较第n个和第n-1个数,将小数放前,大数放后,然后比较第n-1个数和第n-2个数,将小数放前,大数放后,如此继续,直至比较最后两个数,将小数放前,大数放后。至此第一趟结束,将最小的数放到了最前。在第二趟:仍从第n个数开始比较,将小数放前,大数放后,一直比较到第二个数(第一的位置上已经是最小的),第二趟结束,在数第二的位置上得到一个新的最小数(其实在整个数列中是第二小的数)。如此下去,重复以上过程,直至最终完成排序。用二循环实现,外循环变量设i,内循环变量设为j。每次进行比较的两个元素都是与内循环j有关的,它们可以分别用a[j]和a[j+1]标识。
4、快速排序
思路:以第一个关键字K1为控制字,将[K1,K2..Kn]分成两个子区,使左区的所有关键字小于等于K1,右区所有关键字大于等于K1,在子区内数据尚处于无序状态。
将右区首、尾指针保存入栈,对左区进行与第(1)步相类似的处理,又得到它的左子区和右子区。
重复第(1)、(2)步,直到左区处理完毕。然后退栈对一个个子区进行相类似的处理,直到栈空。
5、简单排序       
思路:在n个记录中,用两重循环,外层循环i从第一个元素a[0]开始至最后一个 元素a[n-l],内层循环j从外层循环所值元素a[i]的下—个元素a[jl=a[i+l]开始至最后一个元素a[n-l]搜索,只要找到比a[i]小的元素,便与a[i]交换,如此重复执行操作,当外层循环完毕后,全部记录就排序完成了。
3.2整体设计方案 
此课题是研究的是排序问题,为了直观和方便,画出流程图如下图1:




























	
图1 程序总流程图


通过流程图可以从中看出操作过程以及函数间的调用关系。
3.3各种操作函数
根据模块的划分,将函数对模块进行实现,主要函数如下:
(1)创建一个数组函数:int creat()
(2)输出数组函数:void print(struct element a[],int n)
(3)保存函数:void save(struct element a[],int n,char filename[])
(4)直接插入排序函数:void insertsort(struct element a[],int n)
(5)希尔排序函数:void shellsort(struct element a[],int n)
(6)冒泡排序函数:void bublesort(struct element a[],int n)
(7)快速排序分区处理:int partition(struct element a[],int low,int high)
(8)快速排序函数:void quicksort(struct element a[],int low,int high)
(9)简单排序函数:void selesort(struct element a[],int n)
3.4主函数
//==========通过该函数对其他函数的调用,实现系统功能
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int num,c;
	bool flag=0;
	clock_t start,end;
	char file1[300]="直接插入排序.txt";
	char file2[300]="希尔排序.txt";
	char file3[300]="冒泡排序.txt";
	char file4[300]="快速排序.txt";
	char file5[300]="选择排序.txt";
	while(1)
	{
		menu();
		printf("请输入操作选项:");
		scanf("%d",&c);
		if(c!=1&&flag==0)
			printf("处理错误,请先产生随机数...\n");
		else
		{
			switch(c)
			{
			case 1:num=creat();
				print(list,num);
				printf("\n");
				flag=1;
				break;
			case 2:start=clock();
				insertsort(list,num);
				end=clock();
				printf("直接插入排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file1);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 3:start=clock();
				shellsort(list,num);
				end=clock();
				printf("希尔排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file2);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 4:start=clock();
				bublesort(list,num);
				end=clock();
				printf("冒泡排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file3);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 5:start=clock();
				quicksort(list,0,num-1);
				end=clock();
				printf("快速排序完成!\n");
				printf("快速排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file4);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 6:start=clock();
				selesort(list,num);
				end=clock();
				printf("选择排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file5);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 0:exit(1);
			default:printf("输入错误,请重新输入...\n");
			}
		}
	}
	system("pause");
	return 0;
} 
3.5编码
//=========数据类型定义
#define  size 1000000
struct element
{
	int key;
}list[size];

//==========直接插入排序模块
void insertsort(struct element a[],int n)
{
	int i,j;
	struct element x;
	for(i=1;i<n;i++)
		if(a[i].key<a[i-1].key)
		{
			x=a[i];
			a[i]=a[i-1];
			for(j=i-1;x.key<a[j].key;j--)
				a[j+1]=a[j];
			a[j+1]=x;
		}
	printf("直接插入排序完成!\n");
}

//=========希尔排序模块
void shellsort(struct element a[],int n)
{
	int i,j,dk;
	struct element x;
	dk=n/2;
	while(dk>0)
	{
		for(i=dk;i<n;i++)
			if(a[i].key<a[i-1].key)
			{
				x=a[i];
				for(j=i-dk;j>0&&x.key<a[j].key;j-=dk)
					a[j+dk]=a[j];
				a[j+dk]=x;
			}
		dk=dk/2;
	}
	printf("希尔排序完成!\n");
}

//=========冒泡排序模块
void bublesort(struct element a[],int n)
{
	int i,j;
	struct element temp;
	for(i=0;i<n;i++)
	{
		for(j=n;j>=i;j--)
			if(a[j+1].key<a[j].key)
			{
				temp=a[j+1];
				a[j+1]=a[j];
				a[j]=temp;
			}
	}
	printf("冒泡排序完成!\n");
}

//==========快速排序模块
int partition(struct element a[],int low,int high)
{
	int i,j;
	struct element x;
	i=low;
	j=high;
	x=a[i];
	while(i<j)
	{
		while((i<j)&&(a[j].key>=x.key))
			j--;
		if(i<j)
		{
			a[i]=a[j];
			i++;
		}
		while((i<j)&&(a[i].key<=x.key))
			i++;
		if(i<j)
		{
			a[j]=a[i];
			j--;
		}
	}
	a[i]=x;
	return i;
}
void quicksort(struct element a[],int low,int high)
{
	int i;
	if(low<high)
	{
		i=partition(a,low,high);
		quicksort(a,low,i-1);
		quicksort(a,i+1,high);
	}
}

//==========简单排序模块
void selesort(struct element a[],int n)
{
	int i,j,z;
	struct element temp;
	for(i=0;i<n;i++)
	{
		z=i;
		for(j=1+i;j<n;j++)
		{
			if(a[z].key>a[j].key)
				z=j;
		}
		if(z!=i)
		{
			temp=a[i];
			a[i]=a[z];
			a[z]=temp;
		}
	}

	printf("选择排序完成!\n");
}
4 测试系统
对于所有执行过程,通过图片最好说明问题了:
程序开始如图2所示:

图2 开始界面图
4.1设计测试数据
	用随机函数产生的20个随机数作为测试实例:


图3 产生随机数

4.2测试结果与分析	

图4 直接插入排序结果图


图5 希尔排序结果图


图6 冒泡排序结果图


图7 快速排序结果图


图8 简单排序结果图
结  论
通过这次课程设计的学习让我学会了许多,让我对我们的专业知识有了很大理解! 
在这次课程设计中,独立完成了在数组存储结构下的每种排序算法。排序算法共有五个:插入排序、希尔排序、冒泡排序、快速排序、选择排序。同时也实现了随机数的生成。并把排序后的结果保存在不同的文件中。虽然在算法完成的过程中也在网上査阅了一些资料,但对这次课程设计的成果还是比较满意的。
同时在完成这个课程设计后,我也学到了很多知识,并能熟练的掌握他们了。熟练的撑握C语言的文件读写操作。掌握了每种排序算法的基本思想,并学会了编写程序的一般步骤:思考问题,写出解决方案,写出伪代码,完成代码,调试程序。不像以前那样开始就直接写代码。
致  谢
这次课程设计能够顺利完成,当然要感谢老师和同学的帮助。没有老师的悉心指导和督促,就不可能这么顺利和按时完成任务,真的非常感谢!老师教导我们:首先要对程序的设计要求有一个比较明确的认识,然后系统分析与系统设计,最后是代码设计与调试。程序实现上,设计了简单的菜单界面,将各个功能集中出现在主菜单中,便于调用。在整个过程中周围的同学也给了不少帮助,而且帮忙解决了很多想不通的问题,在此真的非常感激每个人!希望在今后学习中大家一起互相学习,共同进步!编写程序的过程是辛苦与快乐的,程序的编写原则很重要,只要我们在编程,就必须不断改进,才能更好提高编程能力。
参考文献
[1]严蔚敏等编著.数据结构(C语言版).北京:淸华大学出版社.2003
[2]严蔚敏等编著.数据结构题集(C语言版>.北京:清华大学出版社.2003
[3]李春葆等编著.数据结构教程(C语言版>.北京:淸华大学出版社.2006
[4]朱立华等编著.C语言程序设计.北京:人民邮电出版社.2009

附录
#include "stdafx.h"
#include
#include
#include
#define  size 1000000
//===========^调用库函数

struct element
{
	int key;
}list[size];
//==========^结构体模板

int creat()
{
	int i;
	int num;
	printf("请输入元素的个数:");
	scanf("%d",&num);
	if(num>999999)
	{
		printf("输入超界!\n");
		return 0;
	}
	for(i=0;i<num;i++)
		list[i].key=rand()%10000;
	return(num);
}
//==========^创建一个数组

void print(struct element a[],int n)
{
	int i;
	for(i=0;i<n;i++)
		printf("%5d",a[i].key);
	printf("\n");
}
//==========^输出数组

void save(struct element a[],int n,char filename[])
{
	int wj=0;
	FILE *fp;
	if((fp=fopen(filename,"w"))==NULL)
		printf("file writer error\n");
	for(int m=0;m<n;m++)
	{
		wj=a[m].key;
		fprintf(fp,"%d%d",wj);
	}
	fclose(fp);

}
//=========^保存到文件

void insertsort(struct element a[],int n)
{
	int i,j;
	struct element x;
	for(i=1;i<n;i++)
		if(a[i].key<a[i-1].key)
		{
			x=a[i];
			a[i]=a[i-1];
			for(j=i-1;x.key<a[j].key;j--)
				a[j+1]=a[j];
			a[j+1]=x;
		}
	printf("直接插入排序完成!\n");
}
//=========^直接插入排序

void shellsort(struct element a[],int n)
{
	int i,j,dk;
	struct element x;
	dk=n/2;
	while(dk>0)
	{
		for(i=dk;i<n;i++)
			if(a[i].key<a[i-1].key)
			{
				x=a[i];
				for(j=i-dk;j>0&&x.key<a[j].key;j-=dk)
					a[j+dk]=a[j];
				a[j+dk]=x;
			}
		dk=dk/2;
	}
	printf("希尔排序完成!\n");
}
//=========^希尔排序

void bublesort(struct element a[],int n)
{
	int i,j;
	struct element temp;
	for(i=0;i<n;i++)
	{
		for(j=n-2;j>=i;j--)
			if(a[j+1].key<a[j].key)
			{
				temp=a[j+1];
				a[j+1]=a[j];
				a[j]=temp;
			}
	}
	printf("冒泡排序完成!\n");
}
//=========^冒泡排序

int partition(struct element a[],int low,int high)
{
	int i,j;
	struct element x;
	i=low;
	j=high;
	x=a[i];
	while(i<j)
	{
		while((i<j)&&(a[j].key>=x.key))
			j--;
		if(i<j)
		{
			a[i]=a[j];
			i++;
		}
		while((i<j)&&(a[i].key<=x.key))
			i++;
		if(i<j)
		{
			a[j]=a[i];
			j--;
		}
	}
	a[i]=x;
	return i;
}
void quicksort(struct element a[],int low,int high)
{
	int i;
	if(low<high)
	{
		i=partition(a,low,high);
		quicksort(a,low,i-1);
		quicksort(a,i+1,high);
	}
}
//==========^快速排序

void selesort(struct element a[],int n)
{
	int i,j,z;
	struct element temp;
	for(i=0;i<n;i++)
	{
		z=i;
		for(j=1+i;j<n;j++)
		{
			if(a[z].key>a[j].key)
				z=j;
		}
		if(z!=i)
		{
			temp=a[i];
			a[i]=a[z];
			a[z]=temp;
		}
	}

	printf("选择排序完成!\n");
}
//=========^简单选择排序

void menu()
{
	printf("\n\t\t***********************主菜单***********************\n");
	printf("\t\t|                 1--生成随机排序元素                |\n");
	printf("\t\t|                 2--直接插入排序                    |\n");
	printf("\t\t|                 3--希尔排序                        |\n");
	printf("\t\t|                 4--冒泡排序                        |\n");
	printf("\t\t|                 5--快速排序                        |\n");
	printf("\t\t|                 6--简单选择排序                    |\n");
	printf("\t\t|                 0--退出                            |\n");
	printf("\t\t|                                                    |\n");
	printf("\n                                                        \n");
}
//=========^该系统的菜单

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int num,c;
	bool flag=0;
	clock_t start,end;
	char file1[300]="直接插入排序.txt";
	char file2[300]="希尔排序.txt";
	char file3[300]="冒泡排序.txt";
	char file4[300]="快速排序.txt";
	char file5[300]="选择排序.txt";
	while(1)
	{
		menu();
		printf("请输入操作选项:");
		scanf("%d",&c);
		if(c!=1&&flag==0)
			printf("处理错误,请先产生随机数...\n");
		else
		{
			switch(c)
			{
			case 1:num=creat();
				print(list,num);
				printf("\n");
				flag=1;
				break;
			case 2:start=clock();
				insertsort(list,num);
				end=clock();
				printf("直接插入排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file1);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 3:start=clock();
				shellsort(list,num);
				end=clock();
				printf("希尔排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file2);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 4:start=clock();
				bublesort(list,num);
				end=clock();
				printf("冒泡排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file3);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 5:start=clock();
				quicksort(list,0,num-1);
				end=clock();
				printf("快速排序完成!\n");
				printf("快速排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file4);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 6:start=clock();
				selesort(list,num);
				end=clock();
				printf("选择排序后的结果:\n");
				print(list,num);
				save(list,num,file5);
				printf("  The Time:%d ms\n",end-start);
				printf("\n");
				break;
			case 0:exit(1);
			default:printf("输入错误,请重新输入...\n");
			}
		}
	}
	system("pause");
	return 0;
}
//=========^该系统主函数

四、调试和运行程序过程中产生的问题及采取的措施:
1、
2、
……
五、小组会议记录(包括时间、地点、参加人员和内容)
1、
2、
……
六、总结及感想

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