【Python 排序算法】—— 基本排序算法

在讲解基础的排序算法之前，先来介绍排序算法经常会用到的 `swap` 函数——用来交换列表中的两项的位置

def swap(lyst, i, j):
    """Exchanges the items at positions i and j."""
    # You could say lyst[i], lyst[j] = lyst[j], lyst[i]
    # but the following code shows what is really going on
    temp = lyst[i]
    lyst[i] = lyst[j]
    lyst[j] = temp

选择排序 | \(selection \, sort\)

可能最简单的策略就是搜索整个列表，找到最小项的位置。如果该位置不是列表的第一个位置，算法就会交换这两个位置的项。然后，算法回到第 2 个位置并且重复这个过程，如果必要的话，将最小项和第 2 个位置的项交换。当算法到达整个过程的最后一个位置，列表就是排序好的了。这就是选择排序算法的基本思路。

下表展示了对于 5 个项的一个列表进行选择排序，在每一次搜索和交换之后的状态。因为每次经过主循环时，都会选择一个要移动的项，即在每一轮都只是交换两项，这两项的后面用 * 表示，并且表中已经排好序的部分用阴影表示。

如下是选择排序的 Python 描述：

def selectionSort(lyst):
    i = 0
    while i < len(lyst) - 1:      # Do n - 1 searches
        minIndex = i              # for the smallest
        j = i + 1
        while j < len(lyst):      #  Start a search
            if lyst[j] < lyst[minIndex]:
                minIndex = j
            j += 1
        if minIndex != i:         # Exchange if need
            swap(lyst, minIndex, i)
        i += 1

该算法的复杂度为 `O(n^2)`。由于数据项交换只是在外围循环中进行，所以在最坏情况和平均情况下，选择排序的这一额外开销都是线性的。

冒泡排序 | \(bubble \,sort\)

冒泡排序法相对容易理解和编码。其策略是从列表的开头出开始，并且比较一对数据项，直到移动到列表的末尾。每当成对的两项之间顺序不正确的时候，算法就交换其位置。这个过程的效果就是将最大的项以冒泡的方式排到列表的末尾。然后，算法从列表头到倒数第 2 个列表项重复这一过程，依此类推，直到该算法从列表的最后一项开始执行。此时，列表是已经排序好的。

下表展示了对 5 个项的一个列表进行冒泡排序的过程。这个过程把嵌套的循环执行了 4 次，将最大的项冒泡的列表的末尾。再一次，只有交换的项用*标出，并且排好序的部分用阴影表示。

如下是冒泡排序的 Python 描述：

def bubbleSort(lyst):
    n = len(lyst)   
    while n > 1:                           # Do n - 1 bubbles
        i = 1                              # Start each bubble
        while i < n:
            if lyst[i] < lyst[i - 1]:      # Exchange if need
                swap(lyst, i, i - 1)
            i += 1
        n -= 1

和选择排序一样，冒泡排序的复杂度也是 `O(n^2)`。如果列表是已经排好的，冒泡排序不会执行任何交换。然而，在最坏的情况下，冒泡排序的交换超过线性方式。

可以对冒泡排序进行一个小的调整，将其在最好的情况下的性能提高到线性阶。如果在通过主循环的时候，没有发生交换，那么列表就是已经排序的。这种情况可能发生在任何一轮，但是，在最好的情况下，第 1 轮就会发生。可以使用一个布尔标记来记录交换动作的出现，并且当内部循环没有设置这个标记的时候，就从函数返回。如下是修改后的冒泡排序函数：

def bubbleSortWithTweak(lyst):
    n = len(lyst)
    while n > 1:
        swapped = False
        i = 1
        while i < n:
            if lyst[i] < lyst[i - 1]:       # Exchange if need
                swap(lyst, i, i - 1)
                swapped = True
            i += 1
        if not swapped: return              # Return if no swaps
        n -= 1

注意：这一修改只是改进了最好情况下的行为。在平均情况下，这个版本的复杂度仍为`O(n^2)`。

插入排序 | \(insertion \,sort\)

修改过后的冒泡排序，对于已经排好的列表来说，其性能比选择排序要好。但是，如果列表中的项是没有顺序的，修改过后的冒泡排序的性能任然是很糟糕的。

插入排序法试图以一种不同的方式来对列表进行排列，其策略如下：

在第 i 轮通过列表的时候（\( 1 \leq i \leq n-1 \)）,第 i 个项应该插入到列表的前 i 个项之中的正确位置。
在第 i 轮之后，前 i 个项应该是排好序的。
这个过程类似于排列手中扑克牌的顺序。即，如果你按照顺序放好了前 i-1 张牌，抓取了第 i 张牌，并且将其与手中的牌进行比较，直到找到合适的位置。
和其他排序算法一样，插入排序包含两个循环。外围的循环遍历从 1 到 n-1 的位置。对于这个循环中的每一个位置 i，我们都保存该项并且从位置 i-1 开始内部循环。对于这个循环中的每一个位置 j，我们都将项移动到位置 j+1，直到找到了给保存的项（第 i 项）的插入位置。

如下是 insertionSort 函数的代码：

def insertionSort(lyst):
    i = 1
    while i < len(lyst):
        itemToInsert = lyst[i]
        j = i - 1
        while j >= 0:
            if itemToInsert < lyst[j]:
                lyst[j + 1] = lyst[j]
                j -= 1
            else:
                break
        lyst[j + 1] = itemToInsert
        i += 1