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深入理解C#的冒泡排序、快速排序、插入排序、选择排序和归并排序

article 2025/1/4 16:41:45

排序算法是计算机科学中最基础的算法之一。无论是在学术研究中还是在实际项目中，排序算法都扮演着非常重要的角色。本文将详细介绍几种常见的排序算法：冒泡排序、快速排序、插入排序、选择排序、归并排序、希尔排序、堆排序和基数排序，并用C#代码展示其实现。

冒泡排序（Bubble Sort）

算法简介

冒泡排序是一种简单但效率较低的排序算法。它通过重复地遍历数组，比较相邻的元素并交换它们的位置，将较大的元素逐步“冒泡”到数组的末尾。

算法步骤

从第一个元素开始，比较相邻元素的大小。
如果前一个元素比后一个元素大，则交换它们的位置。
对每一轮遍历，未排序的部分长度减一。
重复以上步骤，直到没有元素需要交换。

C#实现

using System;

class Program
{
    static void BubbleSort(int[] array)
    {
        for (int i = 0; i < array.Length - 1; i++)
        {
            for (int j = 0; j < array.Length - 1 - i; j++)
            {
                if (array[j] > array[j + 1])
                {
                    // 交换元素
                    int temp = array[j];
                    array[j] = array[j + 1];
                    array[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int[] array = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };
        Console.WriteLine("排序前: " + string.Join(", ", array));
        BubbleSort(array);
        Console.WriteLine("排序后: " + string.Join(", ", array));
    }
}

快速排序（Quick Sort）

算法简介

快速排序是一种分治算法，它通过选择一个基准值（pivot）将数组分为两个子数组：小于基准值的元素和大于基准值的元素，然后递归地对这两个子数组进行排序。

算法步骤

选择一个基准值。
将数组分为两部分：小于基准值的元素和大于基准值的元素。
递归地对两部分进行排序。
合并结果。

C#实现

using System;

class Program
{
    static void QuickSort(int[] array, int left, int right)
    {
        if (left < right)
        {
            int pivotIndex = Partition(array, left, right);
            QuickSort(array, left, pivotIndex - 1);
            QuickSort(array, pivotIndex + 1, right);
        }
    }

    static int Partition(int[] array, int left, int right)
    {
        int pivot = array[right];
        int i = left - 1;

        for (int j = left; j < right; j++)
        {
            if (array[j] <= pivot)
            {
                i++;
                int temp = array[i];
                array[i] = array[j];
                array[j] = temp;
            }
        }

        int temp1 = array[i + 1];
        array[i + 1] = array[right];
        array[right] = temp1;

        return i + 1;
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int[] array = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };
        Console.WriteLine("排序前: " + string.Join(", ", array));
        QuickSort(array, 0, array.Length - 1);
        Console.WriteLine("排序后: " + string.Join(", ", array));
    }
}

插入排序（Insertion Sort）

算法简介

插入排序通过构建有序序列，将未排序的元素逐一插入到已排序序列中。它的效率在小规模数据集上表现较好。

算法步骤

从第二个元素开始，将当前元素与前面的元素进行比较。
如果当前元素比前面的元素小，则将其插入到正确的位置。
对剩余的元素重复上述步骤。

C#实现

using System;

class Program
{
    static void SelectionSort(int[] array)
    {
        for (int i = 0; i < array.Length - 1; i++)
        {
            int minIndex = i;
            for (int j = i + 1; j < array.Length; j++)
            {
                if (array[j] < array[minIndex])
                {
                    minIndex = j;
                }
            }

            // 交换最小值
            int temp = array[minIndex];
            array[minIndex] = array[i];
            array[i] = temp;
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int[] array = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };
        Console.WriteLine("排序前: " + string.Join(", ", array));
        SelectionSort(array);
        Console.WriteLine("排序后: " + string.Join(", ", array));
    }
}

归并排序（Merge Sort）

算法简介

归并排序是一种分治算法，它将数组分成较小的部分，分别排序后再合并。

算法步骤

将数组递归分成两部分。
对每部分进行排序。
合并两个有序部分。

C#实现

using System;

class Program
{
    static void MergeSort(int[] array, int left, int right)
    {
        if (left < right)
        {
            int mid = (left + right) / 2;
            MergeSort(array, left, mid);
            MergeSort(array, mid + 1, right);
            Merge(array, left, mid, right);
        }
    }

    static void Merge(int[] array, int left, int mid, int right)
    {
        int n1 = mid - left + 1;
        int n2 = right - mid;
        int[] leftArray = new int[n1];
        int[] rightArray = new int[n2];

        Array.Copy(array, left, leftArray, 0, n1);
        Array.Copy(array, mid + 1, rightArray, 0, n2);

        int i = 0, j = 0, k = left;
        while (i < n1 && j < n2)
        {
            if (leftArray[i] <= rightArray[j])
            {
                array[k++] = leftArray[i++];
            }
            else
            {
                array[k++] = rightArray[j++];
            }
        }

        while (i < n1)
        {
            array[k++] = leftArray[i++];
        }

        while (j < n2)
        {
            array[k++] = rightArray[j++];
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int[] array = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };
        Console.WriteLine("排序前: " + string.Join(", ", array));
        MergeSort(array, 0, array.Length - 1);
        Console.WriteLine("排序后: " + string.Join(", ", array));
    }
}

对比几种排序算法

算法	时间复杂度（最优）	时间复杂度（平均）	时间复杂度（最坏）	空间复杂度	稳定性
冒泡排序	O(n)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	稳定
快速排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n^2)	O(log n)	不稳定
插入排序	O(n)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	稳定
选择排序	O(n^2)	O(n^2)	O(n^2)	O(1)	不稳定
归并排序	O(n log n)	O(n log n)	O(n log n)	O(n)	稳定