C语言实现冒泡排序算法

简介

冒泡排序（Bubble Sort）是一种简单的排序算法。它重复地走访要排序的数列，一次比较两个数据元素，如果顺序错误就把它们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到整个数列都被排序，这个算法的名字由来是因为越小（或越大）的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。在本文中，我们将深入探讨如何使用C语言实现冒泡排序算法，包括基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践。

基础概念

冒泡排序的基本思想是比较相邻的元素，如果顺序错误就把它们交换过来。具体步骤如下：

比较相邻的元素。如果第一个比第二个大（升序排序的情况下），就把它们交换位置。
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的数。
针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个。
持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到整个数组都被排序。

使用方法

代码示例

#include <stdio.h>

// 函数声明
void bubbleSort(int arr[], int n);

int main() {
    int arr[] = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("排序前的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }

    bubbleSort(arr, n);

    printf("\n排序后的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }

    return 0;
}

// 冒泡排序函数实现
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        // 最后 i 个元素已经排好序
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            // 如果前一个元素大于后一个元素，交换它们
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

代码解释

bubbleSort 函数接受一个整数数组 arr 和数组的大小 n 作为参数。
外层循环 for (i = 0; i < n - 1; i++) 控制排序的轮数，总共需要 n - 1 轮。
内层循环 for (j = 0; j < n - i - 1; j++) 用于比较相邻的元素，并在必要时交换它们。每一轮内层循环结束后，最大的元素会“浮”到数组的末尾。
在 main 函数中，我们定义了一个测试数组，并调用 bubbleSort 函数对其进行排序，最后输出排序前后的数组。

常见实践

处理不同类型的数据：冒泡排序算法不仅可以用于整数数组，还可以用于其他类型的数据，如浮点数、字符等。只需修改数组的类型和比较的逻辑即可。

#include <stdio.h>

// 函数声明
void bubbleSortFloat(float arr[], int n);

int main() {
    float arr[] = {64.5, 34.2, 25.7, 12.1, 22.9, 11.3, 90.8};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("排序前的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%.2f ", arr[i]);
    }

    bubbleSortFloat(arr, n);

    printf("\n排序后的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%.2f ", arr[i]);
    }

    return 0;
}

// 冒泡排序函数实现，用于浮点数数组
void bubbleSortFloat(float arr[], int n) {
    int i, j;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                float temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

优化冒泡排序：可以通过添加一个标志位来判断在某一轮中是否有元素交换。如果在某一轮中没有元素交换，说明数组已经有序，可以提前结束排序。

#include <stdio.h>

// 函数声明
void optimizedBubbleSort(int arr[], int n);

int main() {
    int arr[] = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("排序前的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }

    optimizedBubbleSort(arr, n);

    printf("\n排序后的数组: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }

    return 0;
}

// 优化的冒泡排序函数实现
void optimizedBubbleSort(int arr[], int n) {
    int i, j;
    int swapped;
    for (i = 0; i < n - 1; i++) {
        swapped = 0;
        for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
                swapped = 1;
            }
        }
        // 如果在这一轮中没有元素交换，说明数组已经有序
        if (swapped == 0) {
            break;
        }
    }
}

最佳实践

选择合适的数据结构：如果数据量非常大，冒泡排序可能不是最佳选择，因为它的时间复杂度为 O(n^2)。对于大数据集，可以考虑使用更高效的排序算法，如快速排序（Quick Sort）、归并排序（Merge Sort）等，它们的平均时间复杂度为 O(n log n)。
代码可读性和可维护性：在实现冒泡排序时，尽量保持代码简洁、清晰。使用有意义的变量名和注释，以便其他开发人员能够轻松理解和维护代码。
错误处理：在处理数组时，要注意边界条件和可能的错误。例如，确保传递给排序函数的数组大小是正确的，避免数组越界等错误。

小结

冒泡排序是一种简单但效率较低的排序算法，适用于小规模数据的排序。通过理解其基本概念和实现方法，我们可以在C语言中轻松实现冒泡排序。在实际应用中，要根据数据规模和性能要求选择合适的排序算法，并注意代码的可读性、可维护性和错误处理。希望本文能够帮助读者深入理解并高效使用C语言实现冒泡排序算法。

参考资料

《C Primer Plus》
《算法导论》
维基百科 - 冒泡排序