C语言实现数据结构：查找与排序

第四次上机实验报告

1.作业题目：

设计并实现一个管理系统（学生管理、图书管理、产品管理等等），系统中需包含1000条以上的记录，系统至少包含以下功能：

(1) 自动生成记录信息（或者从文件中读取）；

(2) 逐条显示所有记录信息；

(3) 利用时间复杂度O(n2)的排序算法（例如直接插入排序或者折半插入排序）按照关键字进行排序；

(4) 利用时间复杂度O(nlogn)的排序算法（例如快速排序）按照关键字进行排序；

(5) 程序中统计（3）和（4）的算法在数据正序、逆序、乱序情况下的比较次数与移动次数并输出，在报告中对比较次数与移动次数进行分析。

程序运行结果截图，需测试各种情况。写出测试过程中遇到的主要问题及所采用的解决措施。

2. 运行结果截图:

 

3.排序移动次数和比较次数分析

Ⅰ.直接插入排序

①.乱序：

移动次数：1517940

比较次数：751710

②.逆序

移动次数：1498500

比较次数：499500

③.正序

移动次数：0

比较次数：0

Ⅱ.冒泡排序

①.乱序：

移动次数：758970

比较次数：498720

②.逆序

移动次数：1498500

比较次数：499500

③.正序

移动次数：0

比较次数：999

Ⅲ.快速排序

①.乱序：

移动次数：4862

比较次数：10487

②.逆序

移动次数：1998

比较次数：49500

③.正序

移动次数：1998

比较次数：49500

4.得出的结论：

直接插入排序：

正序移动次数为0，比较次数为0；

逆序移动次数为3*0.5*n*(n-1)，比较次数为0.5*n*(n-1);

乱序介于它们之间。

冒泡排序：

正序移动次数为0，比较次数为n-1；

逆序移动次数为3*0.5*n*(n-1)，比较次数为0.5*n*(n-1);

乱序介于它们之间。

快速排序：

正序移动次数为2*(n-1)，比较次数为0.5*n*(n-1)；

逆序移动次数为2*(n-1)，比较次数为0.5*n*(n-1);

乱序均比它们大。

5.附录

列出程序文件清单，及文件功能。

头文件：

sort.h:存放宏定义、全局变量定义和函数声明

源文件：

main.cpp:存放主函数

sort.cpp:存放其他分函数

代码注释要求：

1. 对关键的算法实现代码有必要的注释
2. 函数说明格式：

*****************************************************

函数名：

函数功能：

输入参数：

       类型，参数名，含义

输出参数：

       返回值，含义

文件提交要求：

将两道题目各自的完整工程（包含该工程下所有目录和文件）和此文档一起打包，以组内学生姓名作为文件名，上传提交。例如Stu1_Stu2.zip

代码:

sort.h

#pragma once
#define ARRAY_LEN 1000        //    数组长度
#define MIN 1                 //    数组的最小值
#define MAX 1000              //    数组的最大值

int Comparisons_num;          //    比较次数
int Mobile_num;               //    移动次数

void Create_data(double* a, int n, int min, int max);                            //    建立伪随机分数
void Copy_array(double* tar, double* arr, int len);                              //    复制数组
void Swap_element(double* a, double* b);                                         //    交换元素

void Insert_sort(double* arr, int len);                                          //    直接插入排序 
void Bubble_sort(double* arr, int len);                                          //    冒泡排序
int Division(double* a, int left, int right);                                    //    分隔过程（快速排序）
void Quick_sort(double* arr, int left, int right, int count);                    //    快速排序（left和count初始值为0，right初始值为数组长度 - 1）    

void Print_sort_negative(double* arr, int len);                                  //    逆序输出
void Print_sort_positive(double* arr, int len);                                  //    输出
void Print_mob_com();                                                            //    显示移动次数和比较次数

sort.cpp

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

extern int Comparisons_num;       //    比较次数
extern int Mobile_num;            //    移动次数

//　　建立伪随机数组
void Create_data(double* a, int n, int min, int max)
{
    int flag;                    //　　避免取重复取值
    srand(time(NULL));

    if (n > max - min + 1)
        ;
    for (int i = 0, j = 0; i < n; i++)
    {
        do
        {
            a[i] = (max - min + 1) * rand() / (RAND_MAX + 1) + 1;
            flag = 0;
            for (j = 0; j < i; j++)
            {
                if (a[i] == a[j])
                    flag = 1;
            }
        } while (flag);
    }
}

//　　复制数组
void Copy_array(double* tar, double* arr, int len)
{
    int i;

    for (i = 0; i < len; i++)
        tar[i] = arr[i];
}

//　　交换元素
void Swap_element(double* a, double* b)
{
    double tmp = *a;

    *a = *b;
    *b = tmp;

    Mobile_num += 3;    //　　一次关键字交换计为3次移动
}


//    直接插入排序
void Insert_sort(double* arr, int len)
{
    int i, j;
    int tmp;            //    待排序的元素

    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        tmp = arr[i];
        for (j = i - 1; j >= 0 && tmp < arr[j]; j--)
        {
            Swap_element(arr + j, arr + j + 1);
            Comparisons_num++;
        }
        arr[j + 1] = tmp;
    }
}


//    冒泡排序
void Bubble_sort(double* arr, int len)
{
    int i, j;
    int flag = 1;            //    标记循环过程是否进行过交换，如果为1则进行了交换    

    for (i = 0; i < len && flag; i++)
    {
        flag = 0;
        for (j = 1; j < len - i; j++)
        {
            if (arr[j - 1] > arr[j])
            {
                Swap_element(arr + j, arr + j - 1);
                flag = 1;
            }
            Comparisons_num++;
        }
    }
}


//　　分隔（快速排序）
int Division(double* a, int left, int right)
{
    double base = a[left];
    while (left < right)
    {
        while (left < right && base < a[right])
        {
            right--;
            Comparisons_num++;
        }

        a[left] = a[right];
        Mobile_num++;

        while (left < right && a[left] < base)
        {
            left++;
            Comparisons_num++;
        }

        a[right] = a[left];
        Mobile_num++;
    }

    a[left] = base;
    return left;
}

//　　快速排序    
//　　left 和 count初始值为0  right 初始值为数组长度 - 1
void Quick_sort(double* arr, int left, int right, int count)
{
    int i;
    int count_temp = count + 1;

    if (left < right)
    {
        i = Division(arr, left, right);
        Quick_sort(arr, left, i - 1, count_temp);
        Quick_sort(arr, i + 1, right, count_temp);
    }
}


//    输出
void Print_sort_positive(double* arr, int len)
{
    int i;

    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        printf("%5.1f ", arr[i]/10);
    }
    putchar('\n');
}

//    逆序输出
void Print_sort_negative(double* arr, int len)
{
    int i;

    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        printf("%5.1f ", arr[len - i - 1]/10);
    }
    putchar('\n');
}

//    显示移动次数和比较次数
void Print_mob_com()
{
    printf("移动次数：%d\n", Mobile_num);
    printf("比较次数：%d\n\n", Comparisons_num);
    //    初始化
    Mobile_num = Comparisons_num = 0;
}

main.cpp

#include "Sort.h"
#include 

int main(void)
{
    double arr[ARRAY_LEN];
    double rightarr[ARRAY_LEN];
    double leftarr[ARRAY_LEN];
    double target_arr[ARRAY_LEN];
    double target_rightarr[ARRAY_LEN];
    double target_leftarr[ARRAY_LEN];

    Create_data(arr, ARRAY_LEN, MIN, MAX);

    Copy_array(target_arr, arr, ARRAY_LEN);
    Bubble_sort(target_arr, ARRAY_LEN);
    Copy_array(rightarr, target_arr, ARRAY_LEN);
    for (int i = 0; i < ARRAY_LEN; i++) {
        leftarr[i] = rightarr[ARRAY_LEN-i-1];
    }

    printf("以下为随机生成的1000个学生的分数数据: \n（分数从0.1到100.0分各不相同)\n");
    Print_sort_positive(arr, ARRAY_LEN);

    printf("\n*****************************************************************************\n");

    printf("\n直接插入排序: \n");

    printf("\n乱序: \n");
    Copy_array(target_arr, arr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_arr, ARRAY_LEN);
    Insert_sort(target_arr, ARRAY_LEN);
    printf("直接插入排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n逆序: \n");
    Copy_array(target_leftarr, leftarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_leftarr, ARRAY_LEN);
    Insert_sort(target_leftarr, ARRAY_LEN);
    printf("直接插入排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n正序: \n");
    Copy_array(target_rightarr, rightarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_rightarr, ARRAY_LEN);
    Insert_sort(target_rightarr, ARRAY_LEN);
    printf("直接插入排序:\n");
    Print_mob_com();



    printf("\n*****************************************************************************\n");

    printf("\n冒泡排序: \n");

    printf("\n乱序: \n");
    Copy_array(target_arr, arr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_arr, ARRAY_LEN);
    Bubble_sort(target_arr, ARRAY_LEN);
    printf("冒泡排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n逆序: \n");
    Copy_array(target_leftarr, leftarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_leftarr, ARRAY_LEN);
    Bubble_sort(target_leftarr, ARRAY_LEN);
    printf("冒泡排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n正序: \n");
    Copy_array(target_rightarr, rightarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_rightarr, ARRAY_LEN);
    Bubble_sort(target_rightarr, ARRAY_LEN);
    printf("冒泡排序:\n");
    Print_mob_com();




    printf("\n*****************************************************************************\n");



    printf("\n快速排序: \n");

    printf("\n乱序: \n");
    Copy_array(target_arr, arr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_arr, ARRAY_LEN);
    Quick_sort(target_arr, 0, ARRAY_LEN - 1, 0);
    printf("快速排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n逆序: \n");
    Copy_array(target_leftarr, leftarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_leftarr, ARRAY_LEN);
    Quick_sort(target_leftarr, 0, ARRAY_LEN - 1, 0);
    printf("快速排序:\n");
    Print_mob_com();

    printf("\n正序: \n");
    Copy_array(target_rightarr, rightarr, ARRAY_LEN);
    Print_sort_positive(target_rightarr, ARRAY_LEN);
    Quick_sort(target_rightarr, 0, ARRAY_LEN - 1, 0);
    printf("快速排序:\n");
    Print_mob_com();

    return 0;
}

查找算法与排序算法总结：