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
3．1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
3．1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