经典排序算法（1）——冒泡排序算法详解

1. 基本思想

冒泡排序的基本思想就是：从无序序列头部开始，进行两两比较，根据大小交换位置，直到最后将最大（小）的数据元素交换到了无序队列的队尾，从而成为有序序列的一部分；下一次继续这个过程，直到所有数据元素都排好序。

算法的核心在于每次通过两两比较交换位置，选出剩余无序序列里最大（小）的数据元素放到队尾。

2. 运行过程

冒泡排序算法的运作如下：

1、比较相邻的元素。如果第一个比第二个大（小），就交换他们两个。

2、对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后，最后的元素会是最大（小）的数。

3、针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后已经选出的元素（有序）。

4、持续每次对越来越少的元素（无序元素）重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较，则序列最终有序。

# Python3
def bubble_sort(nums):
	for i in range(len(nums) - 1):  # 这个循环负责设置冒泡排序进行的次数
		for j in range(len(nums) - i - 1):  # j为列表下标
			if nums[j] > nums[j + 1]:
				nums[j], nums[j + 1] = nums[j + 1], nums[j]
				return nums

print(bubble_sort([45, 32, 8, 33, 12, 22, 19, 97]))
# 输出：[8, 12, 19, 22, 32, 33, 45, 97]

3. 算法变种

鸡尾酒排序又叫定向冒泡排序，搅拌排序、来回排序等，是冒泡排序的一种变形。此算法与冒泡排序的不同处在于排序时是以双向在序列中进行排序。

鸡尾酒排序在于排序过程是先从低到高，然后从高到低；而冒泡排序则仅从低到高去比较序列里的每个元素。它可以得到比冒泡排序稍微好一点的效能，原因是冒泡排序只从一个方向进行比对（由低到高），每次循环只移动一个项目。

以序列(2,3,4,5,1)为例，鸡尾酒排序只需要从低到高，然后从高到低就可以完成排序，但如果使用冒泡排序则需要四次。

但是在乱数序列的状态下，鸡尾酒排序与冒泡排序的效率都很差劲。

// C语言
void cocktail_sort(int arr[], int len) {
	int j, left = 0, right = len - 1;
	while (left < right) {
		for (j = left; j < right; j++)
			if (arr[j] > arr[j + 1])
				swap(arr[j], arr[j + 1]);
		right--;
		for (j = right; j > left; j--)
			if (arr[j - 1] > arr[j])
				swap(arr[j - 1], arr[j]);
		left++;
	}
}

4. 性能分析

• 时间复杂度

  在设置标志变量之后：

  当原始序列“正序”排列时，冒泡排序总的比较次数为n-1，移动次数为0，也就是说冒泡排序在最好情况下的时间复杂度为O(n)；

  当原始序列“逆序”排序时，冒泡排序总的比较次数为n(n-1)/2，移动次数为3n(n-1)/2次，所以冒泡排序在最坏情况下的时间复杂度为O(n^2)；

  当原始序列杂乱无序时，冒泡排序的平均时间复杂度为O(n^2)。

• 空间复杂度

  冒泡排序排序过程中需要一个临时变量进行两两交换，所需要的额外空间为1，因此空间复杂度为O(1)。

• 稳定性

  冒泡排序在排序过程中，元素两两交换时，相同元素的前后顺序并没有改变，所以冒泡排序是一种稳定排序算法。