Java排序算法--之冒泡算法改进

package Sort;

/**
 * 排序测试类
 * 排序算法的分类如下：
 * 1.插入排序（直接插入排序、折半插入排序、希尔排序）；
 * 2.交换排序（冒泡排序、快速排序）；
 * 3.选择排序（直接选择排序、堆排序）；
 * 4.归并排序；
 * 5.基数排序。
 * 
 * 关于排序方法的选择：
 * (1)若n较小(如n≤50)，可采用直接插入或直接选择排序。
 * 　当记录规模较小时，直接插入排序较好；否则因为直接选择移动的记录数少于直接插人，应选直接选择排序为宜。
 * (2)若文件初始状态基本有序(指正序)，则应选用直接插人、冒泡或随机的快速排序为宜；
 * (3)若n较大，则应采用时间复杂度为O(nlgn)的排序方法：快速排序、堆排序或归并排序。
 * 
 * @author lu7kang
 */
public class BubbleSort {

	/**
	 * 交换数组中指定的两元素的位置
	 * @param data
	 * @param x
	 * @param y
	 */
	private static void swap(int[] data,int x, int y) {
		/*int temp = data[x];
		data[x] = data[y];
		data[y] = temp;*/
		
		// 不使用第三个变量
		data[x] = data[x] + data[y];
		data[y] = data[x] - data[y];
		data[x] = data[x] - data[y];
	}
	
	/**
	 * 打印数组
	 * @param data
	 * @param x
	 * @param y
	 */
	private static void printArray(int[] data) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		for (int i : data) {
			sb.append(i);
		}
		System.out.println(sb.toString());
	}


	/**
	 * 基本冒泡排序----交换排序的一种
	 * 
	 * 方法：相邻两元素进行比较，如有需要则进行交换，每完成一次循环就将最大元素排在最后（如从小到大排序），下一次循环是将其他的数进行类似操作。 
	 * 已知一组无序数据a[1]、a[2]、……a[n]，需将其按升序排列。首先比较a[1]与a[2]的值，若a[1]大于a[2]则交换两者的值，否则不变。
	 * 再比较a[2]与a[3]的值，若a[2]大于a[3]则交换两者的值，否则不变。再比较a[3]与a[4]，以此类推，最后比较a[n-1]与a[n]的值。
	 * 这样处理一轮后，a[n]的值一定是这组数据中最大的。再对a[1]~a[n-1]以相同方法处理一轮，则a[n-1]的值一定是a[1]~a[n-1]中最大的。
	 * 再对a[1]~a[n-2]以相同方法处理一轮，以此类推。共处理n-1轮后a[1]、a[2]、……a[n]就以升序排列了。
	 * 
	 * 性能：比较次数O(n^2),n^2/2；交换次数O(n^2),n^2/4
	 * 优点：稳定，比较次数已知；
     * 缺点：慢，每次只能移动相邻两个数据，移动数据的次数多。
     * 
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 * @return
	 */
	public static void bubbleSort(int data[], String sortType) {

		if ("asc".equals(sortType)) {//升序，从小到大排序
			for (int i=1; i<data.length; i++) {
				for (int j=0; j<data.length - i; j++) {
					if (data[j] > data[j+1]) {
						swap(data,j,(j+1));
					}
				}
				printArray(data);
			}
		} else if ("desc".equals(sortType)) {//降序，从大到小排序
			for (int i=1; i<data.length; i++) {
				for (int j=0; j<data.length - i; j++) {
					if (data[j] < data[j+1]) {
						int temp = data[j];
						data[j] = data[j+1];
						data[j+1] = temp;
						swap(data,j,(j+1));
					}
				}
			}
		} else {
			System.out.println("排序类型错误");
		}
	}

	/**
	 * 冒泡排序（第一种改进：不做杨白劳）
	 * 
	 * 方法：如果在某一趟循环中没有任何数据交换发生，
	 * 则表明数据已经排序完毕。那么剩余的循环就不需要再执行了。
	 * 比如我们的数据按照从小到大排列，那么在第一趟比较就不会有任何数据交换发生。
	 * 
	 * 性能：从这种算法可以看出.若记录的初始状态是正序（从小到大）的.则一趟扫描即可完成排序。
	 * 所需的比较和记录移动的次数分别达到最小值n- 1和0。即算法最好的时间复杂度为O(n)；
	 * 若初始记录是反序（从大到小）的.则需要进行n-1趟排序，每趟排序要进行n-i次关键宇的比较，
	 * 且每次比较都必须移动记录三次来达到交换记录位置。在这情况下比较和移动次数达到最大值：
	 * 比较次数：Cmax= n(n-1)/2    移动次数： Mmax=3n(n-1)/2
	 * 因此这种改进方法的最坏时间复杂度也为O(n^2)。在平均情况下.算法可能在中间的某一趟排序完后就终止，
	 * 但总的比较次数仍为O(n^2).所以算法的平均时间复杂度为O(n^2)。
	 * 因此，这种算法最好的时间复杂度为O(n)。平均，最坏时刻复杂度为O(n^2)。
     * 
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 * @return
	 */
	public static void bubbleSort1(int data[], String sortType) {

		if ("asc".equals(sortType)) {//升序，从小到大排序
			boolean sortedFlag = false;//是否排好序
			for (int i=1; i<data.length && !sortedFlag; i++) {
				sortedFlag = true;//已排好序
				for (int j=0; j<data.length - i; j++) {
					if (data[j] > data[j+1]) {
						sortedFlag = false;//未排好序
						swap(data,j,(j+1));
					}
				}
				printArray(data);
			}
		} else if ("desc".equals(sortType)) {//降序，从大到小排序
			boolean isSorted = false;//是否排好序
			for (int i=1; i<data.length && !isSorted; i++) {
				isSorted = true;//已排好序
				for (int j=0; j<data.length - i; j++) {
					if (data[j] < data[j+1]) {
						isSorted = false;//未排好序
						swap(data,j,(j+1));
					}
				}
				printArray(data);
			}
		} else {
			System.out.println("排序类型错误");
		}
	}

	/**
	 * 冒泡排序（第二种改进：记录最后一次交换位置）
	 * 
	 * 方法：在冒泡排序的每趟扫描中，记住最后一次交换发生的位置lastexchange也能有所帮助。
	 * 因为该位置之前的相邻记录已经有序，故下一趟排序开始的时候，0到lastexchange无序区，
	 * lastexchange到n-1已经是有序区了。所以一趟排序可能使当前有序区扩充多个记录.即较大缩小无序区范围，
	 * 而非递减1，以此减少排序趟数。这种算法如下：
	 *       在冒泡排序中，每趟排序实现了将最大(升序)或
     *       最小(降序)的记录安置到未排序部分的最后位置，即最终位置。
     *       通过进一步观察研究，由于每趟排序过程中，通过和邻记录关键字两两
     *       比较，大(升序)或小(降序)的记录在不断地往下沉或往后靠，
     *       小(升序)或大(降序)的记录在不断往上冒或往前靠。
     *       每经过一趟排序，在最后次交换位置后而的记录都已经排好序。根据
     *       上面的思路，对n个记录进行第k趟排序，首先需在第k-1趟排
     *       序时记下最后交换的位置。然后在第k趟排序时，将第一个记
     *       录的关键字与第二个记录的关键字进行比较，符合交换条件时，
     *       进行交换。再比较第二个记录和第三个记录的关键字，依次类
     *       推，直至第m-1个记录和第m个记录的关键字进行比较，而不
     *       需要比较至n-k-1个记录。在大部分排序中，m都小于n-k-1
     *       从而减少了比较趟数和每趟的比较次数。由于在第一趟排序时，
     *       没有上一趟排序的m值。因此，还要设置m的初始值为n-1。
	 * 
	 * 
	 * 性能：从这种算法可以看出.若记录的初始状态是正序（从小到大）的.
	 * 则一趟扫描即可完成排序.所需的关键比较和记录移动的次数分别达到最小值n- 1和0。
	 * 即算法最好的时间复杂度为O(n);若初始记录是反序（从大到小）的.
	 * 则需要进行n-1趟排序.每趟排序要进行n-i次关键宇的比较.
	 * 且每次比较都必须移动记录三次来达到交换记录位置。在这情况下比较和移动次数达到最大值：
	 *   比较次数：Cmax= n(n-1)/2    移动次数 Mmax=3n(n-1)/2
	 *   因此.这种办法的最坏时间复杂度也为O(n^2)。在平均情况下.算法较大地改变了无序区的范围，
	 *   从而减少了比较的次数，但总的比较次数仍为O(n^2).所以算法的平均时间复杂度为O(n^2)。
	 *   因此.算法2最好的时间复杂度为O(n)。平均，最坏时刻复杂度为O(n^2)。
     * 
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 * @return
	 */
	public static void bubbleSort2(int data[], String sortType) {

		int m = data.length -1;
		int k, j;
		if ("asc".equals(sortType)) {//升序，从小到大排序
			while (m > 0) {
				for (k=j=0; j < m; j++) {
					if (data[j] > data[j+1]) {
						swap(data,j,(j+1));
						k=j;//记录每次交换的位置
					}
				}
				System.out.println("最后一次交换的位置:"+k);
				printArray(data);
				m = k;
			}
		} else if ("desc".equals(sortType)) {//降序，从大到小排序
			while (m > 0) {
				for (k=j=0; j<m; j++) {
					if (data[j] < data[j+1]){
						swap(data, j, (j+1));
						k=j;
					}
				}
				m = k;
				System.out.println("最后一次交换的位置:"+k);
				printArray(data);
			}
		} else {
			System.out.println("排序类型错误");
		}
	}

	/**
	 * 冒泡排序（第三种改进：左右开工，双向扫描）
	 * 
	 * 方法：若记录的初始状态为:只有最轻的气泡位于d[n]的位置(或者最重的气泡位于d[0]位置).
	 * 其余的气泡均已排好序.在上述三种算法中都要做n-1趟扫描。
	 * 实际上只需一趟扫描就可以完成排序。所以对于这种不对称的情况。
	 * 可对冒泡排序又作一次改进。在排序过程中交替改变扫描方向.
	 * 即先从左扫到右，再从右扫到左，来回地进行扫描，这样就得到双向冒泡排序算法：
	 *       对n个记录进行排序时，设left记录了从前面向后面依次进行扫描时最后的交换位置，
     *       right记录了从后面向前面依次进行扫描时最前的交换位置。
     *       由上个改进的冒泡排序的原理可知，left后面的记录和right前面的记录都已有序。
     *       每趟排序都由两次不同方向的比较、交换组成。第一次是从未排好序的第一个记录开始，
     *       即从right记录开始，向后依次两两比较，如果不符合条件，则交换之，
     *       直至比较到未排好序的最后一个记录，即left记录为止。
     *       同时记下最后一次交换的位置，并存于left。第二次是从未排好序的最后一个记录开始,
     *       即从left记录开始，向前依次两两比较，如果不符合条件，则交换之，
     *       直至比较到未排好序的第一个记录，即right记录为止。同时记下最后次交换的位置，
     *       并存于right. 这样，就完成了一趟排序。
     *       每趟排序都实现了将未排好序部分的关键字大的记录往后移(升序)，
     *       关键字小的记录往前移（升序)，从而使两端已排好序（如果是降序，记录移动的方向则相反)。
     *       未排好序部分的记录的首尾位置分别由right和left指明。
     *       不断按上面的方法进行排序，使两端已排好序的记录不断增多，
     *       未排好序部分的记录逐渐减少。即right和left的值不断接近，当right>=left时，
     *       表明已没有未排好序的记录，排序就完成了。由于在第一趟排序时，
     *       没有上趟排序的right和left值。因此，还要设置right和left的初始值分别为0和n-1。
	 * 
	 * 
	 * 性能：从这种算法可以看出.若记录的初始状态是正序（从小到大）的.
	 * 则一趟扫描即可完成排序.所需的关键比较和记录移动的次数分别达到最小值n-1和0。
	 * 即算法最好的时间复杂度为O(n);若初始记录是反序（从大到小）的.
	 * 则需要进行[n/2]趟排序。如果只有最重的气泡在最上面（或者最轻的气泡在最下面），
	 * 其余的有序，这时候就只需要比较1趟。但是在最坏的情况下，算法的复杂度也为O(n^2)。
	 * 因此.算法最好的时间复杂度为O(n)，最坏时刻复杂度为O(n^2)。
     * 
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 * @return
	 */
	public static void bubbleSort3(int data[], String sortType) {

        int right, left, index, i;
        right = 0;
        left = data.length - 1;
        index = right;
		if ("asc".equals(sortType)) {//升序，从小到大排序
		while (left > right) {
				for (i=right; i<left; i++) {
					if (data[i] > data[i+1]){
						swap(data, i, (i+1));
						index=i;
					}
				}
				left = index;
				System.out.println("letf最后一次交换的位置:"+index);
				printArray(data);

				for (i=left; i > right; i--) {
					if (data[i] < data[i-1]){
						swap(data, i, (i-1));
						index=i;
					}
				}
				right = index;
				System.out.println("right最后一次交换的位置:"+index);
				printArray(data);
				
			}
		} else if ("desc".equals(sortType)) {//降序，从大到小排序

		} else {
			System.out.println("排序类型错误");
		}
	}

	/**
	 * 直接选择排序法----选择排序的一种
	 * 方法：每一趟从待排序的数据元素中选出最小（或最大）的一个元素， 顺序放在已排好序的数列的最后，直到全部待排序的数据元素排完。
	 * 性能：比较次数O(n^2),n^2/2
	 *       交换次数O(n),n
	 *       交换次数比冒泡排序少多了，由于交换所需CPU时间比比较所需的CUP时间多，所以选择排序比冒泡排序快。
	 *       但是N比较大时，比较所需的CPU时间占主要地位，所以这时的性能和冒泡排序差不太多，但毫无疑问肯定要快些。
	 * 优点：稳定，比较次数与冒泡排序一样，数据移动次数比冒泡排序少；
	 * 缺点：相对之下还是慢。
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 * @return
	 */
	public static void selectSort(int[] data, String sortType) {
		
		if ("asc".equals(sortType)) {//升序，从小到大排序
			for(int i=1; i< data.length; i++) {
				int index = 0;
				for(int j=1; j<=data.length - i; j++) {
					if (data[j] > data[index]) {
						index = j;
					}
				}
				if (data.length - i == index) {
					break;
				}
				swap(data, data.length - i, index);
				printArray(data);
			}
		} else if("desc".equals(sortType)){//降序，从大到小排序
			for(int i=1; i<data.length; i++){
				int index = 0;
				for (int j=1; j<=data.length-i; j++) {
					if(data[j]<data[index]){
						index = j;
					}
				}
				if (data.length - i == index) {
					break;
				}
				swap(data, data.length - i, index);
				printArray(data);
			}
		}
	}

	/**
	 * 插入排序
	 * 
	 * 方法：将一个记录插入到已排好序的有序表（有可能是空表）中,从而得到一个新的记录数增1的有序表。
	 * 性能：比较次数O(n^2),n^2/4
	 *       复制次数O(n),n^2/4
	 *       比较次数是前两者的一般，而复制所需的CPU时间较交换少，所以性能上比冒泡排序提高一倍多，而比选择排序也要快。
	 *优点：稳定，快；
	 *缺点：比较次数不一定，比较次数越少，插入点后的数据移动越多，特别是当数据总量庞大的时候，但用链表可以解决这个问题。
	 * @param data 要排序的数组
	 * @param sortType 排序类型
	 */
	public static void insertSort(int[] data, String sortType) {
		if (sortType.equals("asc")) { //正排序，从小排到大
			//比较的轮数
			for (int i = 1; i < data.length; i++) {
				//保证前i+1个数排好序
				for (int j = 0; j < i; j++) {
					if (data[j] > data[i]) {
						//交换在位置j和i两个数
						swap(data, i, j);
					}
				}
				printArray(data);
			}
		} else if (sortType.equals("desc")) { //倒排序，从大排到小
			//比较的轮数
			for (int i = 1; i < data.length; i++) {
				//保证前i+1个数排好序
				for (int j = 0; j < i; j++) {
					if (data[j] < data[i]) {
						//交换在位置j和i两个数
						swap(data, i, j);
					}
				}
			}
		} else {
			System.out.println("您输入的排序类型错误！");
		}
	}

	/**
	 * 反转数组的方法
	 * @param data 数组
	 */
	public void reverse(int[] data) {

		int length = data.length;
		int temp = 0;//临时变量

		for (int i = 0; i < length / 2; i++) {
			temp = data[i];
			data[i] = data[length - 1 - i];
			data[length - 1 - i] = temp;
		}
		printArray(data);//输出数组的值
	}

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		int[] i = {5,2,4,1,3};
		bubbleSort(i,"asc");
		//bubbleSort1(i,"asc");
		//bubbleSort2(i,"asc");
		//bubbleSort3(i,"asc");
		//selectSort(i,"asc");
		//insertSort(i,"asc");
	}

}