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排序---冒泡排序（Bubble Sort）

news 2025/9/9 5:32:53

一、算法核心概念

冒泡排序是一种简单的交换排序算法，其核心思想是：通过重复遍历待排序数组，每次比较相邻的两个元素，若它们的顺序错误（如升序排序中前一个元素大于后一个），则交换它们的位置。经过多轮遍历后，较大的元素会像“气泡”一样逐渐“上浮”到数组的末尾，最终使整个数组有序。

二、基本工作原理

以升序排序为例，冒泡排序的工作流程可概括为：

初始状态：整个数组为“未排序区间”（需排序的元素范围）；
每轮遍历：从数组头部开始，依次比较相邻元素（arr[j]与arr[j+1]），若arr[j] > arr[j+1]，则交换两者位置；
范围收缩：每轮遍历结束后，当前未排序区间中最大的元素会“浮”到区间的末尾，因此下一轮的未排序区间可缩小1个元素（无需再检查已“浮”到末尾的元素）；
终止条件：当某轮遍历中没有发生任何元素交换时，说明数组已完全有序，排序结束。

三、步骤演示（实例解析）

以数组[5, 3, 8, 4, 2]为例，演示升序冒泡排序的过程：

轮次	未排序区间	遍历中的比较与交换	本轮结束后数组	是否发生交换
1	[0,4]（全数组）	比较5&3→交换→[3,5,8,4,2]；比较5&8→不交换；比较8&4→交换→[3,5,4,8,2]；比较8&2→交换→[3,5,4,2,8]	[3,5,4,2,8]	是
2	[0,3]（前4个元素）	比较3&5→不交换；比较5&4→交换→[3,4,5,2,8]；比较5&2→交换→[3,4,2,5,8]	[3,4,2,5,8]	是
3	[0,2]（前3个元素）	比较3&4→不交换；比较4&2→交换→[3,2,4,5,8]	[3,2,4,5,8]	是
4	[0,1]（前2个元素）	比较3&2→交换→[2,3,4,5,8]	[2,3,4,5,8]	是
5	[0,0]（仅第1个元素）	无相邻元素可比较	[2,3,4,5,8]	否（排序结束）

四、时间复杂度与空间复杂度

时间复杂度：
- 最坏情况：数组完全逆序，需执行n-1轮遍历，每轮比较n-i次（i为轮次），总操作次数为n+(n-1)+...+1 = n(n-1)/2，故为O(n²)；
- 最好情况：数组已完全有序，若添加“交换标志”优化，仅需1轮遍历（n-1次比较）即可判断有序，故为O(n)；
- 平均情况：O(n²)（适用于随机无序数组）。
空间复杂度：
仅需常数个临时变量（用于交换元素和记录标志），故为O(1)（原地排序）。

五、稳定性分析

冒泡排序是稳定的排序算法。

稳定性定义：若数组中存在相等元素，排序后它们的相对顺序与原数组一致，则算法稳定。
原因：冒泡排序仅在相邻元素严格逆序（如arr[j] > arr[j+1]）时才交换，若arr[j] == arr[j+1]，不会触发交换，因此相等元素的相对顺序保持不变。

六、优化策略

基础版冒泡排序在数组已部分有序时仍会执行不必要的遍历，可通过以下优化提升效率：

1. 交换标志优化（核心优化）

添加一个布尔变量（如swapped），记录每轮是否发生交换。若某轮未发生交换，说明数组已有序，可直接终止排序。

2. 记录最后交换位置（进阶优化）

每轮遍历中，记录最后一次发生交换的位置lastSwapIndex。下一轮遍历的终点可设为lastSwapIndex（因为该位置之后的元素已有序），减少无效比较。

七、C++实现代码

1. 基础版实现

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 基础版冒泡排序（升序）
void bubbleSortBasic(vector<int>& arr) {int n = arr.size();// 外层循环：控制轮次（最多n-1轮）for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {// 内层循环：遍历未排序区间[0, n-1-i]for (int j = 0; j < n - 1 - i; ++j) {if (arr[j] > arr[j + 1]) {swap(arr[j], arr[j + 1]); // 交换逆序元素}}}
}int main() {vector<int> arr = {5, 3, 8, 4, 2};bubbleSortBasic(arr);for (int num : arr) {cout << num << " "; // 输出：2 3 4 5 8}return 0;
}

2. 优化版实现（交换标志+最后交换位置）

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 优化版冒泡排序（升序）
void bubbleSortOptimized(vector<int>& arr) {int n = arr.size();int lastSwapIndex = 0; // 记录最后一次交换的位置int border = n - 1;    // 当前未排序区间的右边界（初始为数组末尾）for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {bool swapped = false; // 标志位：本轮是否发生交换// 内层循环仅遍历到border（减少无效比较）for (int j = 0; j < border; ++j) {if (arr[j] > arr[j + 1]) {swap(arr[j], arr[j + 1]);swapped = true;lastSwapIndex = j; // 更新最后交换位置}}border = lastSwapIndex; // 收缩未排序区间右边界if (!swapped) break;    // 未交换，数组已有序，提前终止}
}int main() {vector<int> arr = {5, 3, 8, 4, 2};bubbleSortOptimized(arr);for (int num : arr) {cout << num << " "; // 输出：2 3 4 5 8}return 0;
}