内部排序算法的性能分析

数据结构

课程设计报告设计题目：内部排序算法的性能分析

专业通信工程

班级0803

学生潘志威

学号2008115020312

指导教师孙玉霞

起止时间2011-2-21~2011-2-27

湖北师范学院

2011 年第一学期

目录

1需求分析 (2)

1.1、选题要求 (2)

1.2、选题的意义及背景 (2)

1.3、课程设计目标 (3)

2概要设计 (3)

2.1原始数据 (3)

2.2输出数据 (3)

2.3数据处理 (4)

3 算法描述 (5)

3.1逻辑结构及存储结构 (5)

3.2系统的模块划分及模块功能 (5)

3.2.1主程序模块 (5)

3.2.2可排序表单元模块 (6)

3.3程序代码 (6)

4 调试分析 0

5 测试结果 (1)

5.1测试用例及选择原因 (1)

5.2 测试结果 (2)

5.3 结论 (2)

5.4 结果分析 (2)

6 心得体会 (3)

7 参考文献 (4)

1需求分析

1.1、选题要求

对各种排序算法进行定量的性能分析。

1.2、选题的意义及背景

排序是计算机程序设计中的一种重要操作。它的功能是将一个数据元素的任意序列，重新排列成一个按关键字有序的序列。

内部排序的方法很多，但是就其全面性能而言，很难提出一种被认为是最好的方法，每一种方法都有各自的优缺点，适合在不同的环境下使用。如果按排序过程中依据的不同原则对内部排序方法进行分类，则大致可分为插入排序，交换排序，选择排序，归并排序和记数排序等五类。

此实验通过对起泡排序、直插排序、选择排序、快速排序、归并排序这几种内部排序算法进行比较，能使我们更好的掌握这些排序的基本思想及排序算法。通过该题目的设计过程，可以加深理解各种数据结构的逻辑结构、存储结构及相应上运算的实现，进一步理解和熟练掌握课本中所学的各种数据结构，学会如何把学到的知识用于解决实际问题，培养我们的动手能力。

1.3、课程设计目标

本课程设计对以下内部排序算法进行比较：起泡排序、直插排序、选择排序、快速排序、堆排序。

待排序表的元素关键字为整数，用不同的测试数据做测试比较。比较的指标为关键字的比较次数和关键字的移动次数。最后用图、表格数据汇总数据，以便对这些内部排序算法进行性能分析。

2概要设计

2.1原始数据

用户输入记录的个数，数据由随机数产生器生成。

2.2输出数据

产生的随机数分别用起泡排序、直插排序、选择排序、快速排序、归并排序这些排序方法进行排序，输出关键字的比较次数和移动次数。

2.3数据处理

3 算法描述

3.1逻辑结构及存储结构

以顺序表为存储结构

typedef struct

{

KeyType key;

}DataType;

3.2系统的模块划分及模块功能

系统分为两个模块

3.2.1主程序模块

void main()

3.2.2可排序表单元模块

冒泡排序：

void BubbleSort(DataType a[],int n)

插入排序：

void InsertSort(DataType a[],int n)

直接选择排序：

void SelectSort(DataType a[],int n)

快速排序：

void QuickSort(DataType a[],int low,int high)

希尔排序：

void ShellSort(DataType a[],int n,int d[],int numOfD) 堆排序：

void CreatHeap(DataType a[],int n,int h)

3.3程序代码

头文件：

typedef int KeyType;

typedef struct

{

KeyType key;

}DataType;

static long int count1=0,count2=0; /*冒泡排序*/

void BubbleSort(DataType a[],int n) {

int i,j,flag=1; DataType temp;

for(i=1;i

{

flag=0;

for(j=0;j

{

if(a[j].key>a[j+1].key)

{

count2++;

flag=1;

temp=a[j];count1++;

a[j]=a[j+1];count1++;

a[j+1]=temp;count1++;

}

}

}

}

/*插入排序*/

void InsertSort(DataType a[],int n) {

int i,j;

DataType temp;

for(i=0;i

{

temp=a[i+1];

j=i;

while(j>-1&&temp.key

{

count2++;

a[j+1]=a[j];count1++;

j--;

}

a[j+1]=temp;count1++;

}

}

/*选择排序*/

void SelectSort(DataType a[],int n)

{

int i,j,sm;

DataType temp;

for(i=0;i

{

sm=i;//设第i个数据元素关键字最小

for(j=i+1;j

{

if(a[j].key

{

sm=j;//记住最小元素的下标

count2++;

}

}

if(sm!=i)//当最小元素的下标不为i时交换位置

{

temp=a[i];count1++;

a[i]=a[sm];count1++;

a[sm]=temp;count1++;

}

}

}

/*快速排序*/

void QuickSort(DataType a[],int

low,int high)

//用递归方法对数据元素进行快速排序

{

int i=low,j=high;

DataType temp=a[low];//取第一个元素为标准数据元素

while(i

{

while(i

{

j--;//在数组的右端扫描

count2++;

}

if(i

{

a[i]=a[j];count1++;

i++;

}

while(i

{

i++;//在数组的左端扫描

count2++;

}

if(i

{

a[j]=a[i];count1++;

j--;

}

}

a[i]=temp;count1++;

if(low

if(i

QuickSort(a,j+1,high);//对右端子集合进

行递归

}

/*希尔排序*/

void ShellSort(DataType a[],int n,int d[],int numOfD)

//用希尔排序法对元素a[0]~a[n-1]排序，d[0]~d[m]为希尔增量值

{

int i,j,k,m,span;

DataType temp;

for(m=0;m

{

span=d[m];

for(k=0;k

{

for(i=k;i

{

temp=a[i+span];count1++;

j=i;

while(j>-1&&temp.key

{

count2++;

a[j+span]=a[j];count1++;

j=j-span;

}

a[j+span]=temp;count1++;

}

}

}

}

/*堆排序*/

void CreatHeap(DataType a[],int n,int h)

{

int i,j,flag;

DataType temp;

i=h;//i为要建堆的二叉树根结点下

标

j=2*i+1;// j为i的左孩子结点的下标

temp=a[i];count1++;

flag=0;

//沿左右孩子中值较大者重复向下筛选

while(j

{

if(j

{

j++;

count2++;

}

if(temp.key>a[j].key)

{

flag=1;//标记结束筛选条件

count2++;

}否则把a[j]上移

else//

{

a[i]=a[j];count1++;

i=j;

j=2*i+1;

}

}

a[i]=temp;count1++;

}

void InitCreatHeap(DataType a[],int n)

{

int i;

for(i=(n-1)/2;i>=0;i--)

CreatHeap(a,n,i);

}

void HeapSort(DataType a[],int n)

{

int i,count=0;

DataType temp;

InitCreatHeap(a,n);//初始化创建最大堆

for(i=n-1;i>0;i--)//当前最大堆个数每次递减1

{

temp=a[0];count1++;

a[0]=a[i];count1++;

a[i]=temp;count1++;

CreatHeap(a,i,0);//调整根结点满足最大堆

}

}

主程序：

#include

#include

#include"Sort.h"

void main()

{

DataType

r[10000],R[10000],A[1000],B[1000],C[1000],E[ 1000],F[1000];

int i,j,s; int p;

int n;

char yn;

int d[5]={500,100,50,10,1};

printf("请输入产生随机数个数\n");

scanf("%d",&p);

n=p;

while(1)

{

int k=0;

for(i=0;i<(p/10);i++)

{

srand((i+GetTickCount()));

for(j=0;j<10;j++)

{

r[k].key=rand();

k++;

printf("%8d",r[k-1].key);

}

}

printf("\n**************************\n");

printf("1.测试冒泡排序\n");

printf("2.测试直接插入排序\n");

printf("3.测试选择排序\n");

printf("4.测试快速排序\n");

printf("5.测试希尔排序\n");

printf("6.测试堆排序\n");

printf("**************************\n"); label_1: printf("请选择");

scanf("%d",&s);

switch(s)

{

case 1 :

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

R[i].key=r[i].key;

}

{

BubbleSort(R,n);

printf("冒泡排序移动次数%d\n",count1);

printf("冒泡排序比较次数%d\n",count2);

}

break;

case 2:

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

A[i].key=r[i].key;

}

{

InsertSort(A,n);

printf("直接插入排序移动次数%d\n",count1);

printf("直接插入排序比较次数%d\n",count2);

}break;

case 3:

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

B[i].key=r[i].key;

}

{

SelectSort(B,n);

printf("选择排序移动次数%d\n",count1);

printf("选择排序比较次数%d\n",count2);

}break;

case 4:

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

C[i].key=r[i].key;

}

{

QuickSort(C,0,n-1);

printf("快速排序移动次数%d\n",count1);

printf("快速排序比较次数%d\n",count2);

}break;

case 5:

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

E[i].key=r[i].key;

}

{

ShellSort(E,n,d,5);

printf("希尔排序移动次数%d\n",count1);

printf("希尔排序比较次数%d\n",count2);

}break;

case 6:

count1=0;count2=0;

for(i=0;i<10000;i++)

{

F[i].key=r[i].key;

}

{

HeapSort(F,n,0);

printf("堆排序移动次数%d\n",count1);

printf("堆排序比较次数%d\n",count2);

}break;

default:

{

printf("选择出错!\n");

}

}

getchar();

printf("是否继续测试其他测试方法(y/n):\n");

scanf("%c",&yn);

if(yn=='Y'||yn=='y')

goto label_1;

printf("是否换数据重新测试(y/n):\n");

getchar();

scanf("%c",&yn);

if(yn!='Y'&&yn!='y')

break;

}

}

4 调试分析

进入调试界面后选择要测试排序算法的序号，比如选择1，就对随机产生的1000个数据用冒泡法进行测试，结果是冒泡排序执行次数726450，然后选择是否继续，若继续选择y，若退出测试选择n。

5 测试结果

5.1测试用例及选择原因

记录数分别输入1000、10000、100000，之所以想用这三个记录数测试，是想测试用选择排序、起泡排序、直插排序、快速排序、归并排序这五种排序方法，在记录较小和较大时，关键字的比较次数和移动次数，用以直观的分析它们的性能。

5.2 测试结果

5.3 结论

5.4 结果分析

（1）选择排序的比较次数较少且为定值，但由于它在排序过程中要先查询、再安置，所以性能上不够稳定。

（2）起泡排序的比较次数和移动次数在这五种排序方式中最多，所以起泡排序的排序性能相对于其他排序要低好多。

（3）直插排序的比较次数和移动次数相比较于其他几种排序次数要少，所以效率相比较而言较

高，性能较高，且较稳定。从整体上来讲性能较其他几种排序较高。

（4）快速排序在这几种排序当中从比较次数较少的，移动次数多于选择排序但低于其他三种排序，且其过程是先定一个基准，大小各放一边，再分别对两边多次操作，达到整体有序，所以性能上来看是最快最好的，但是不够稳定。

由此可见上述内部排序方法，每一种方法都有各自的优缺点，适合在不同的环境下使用。通过这个结论，我们可以找到一些内部排序方法选择的规则。

规则如下：

（1）当n较小时：可采用直接插入排序和直接选择排序。

（2）当记录规模小时，可选择直接插入排序；当记录规模大时，可选择直接选择排序，因为直接插入排序所需的记录移动操作比直接选择排序多。

（3）当记录基本有序时：可采用直接插入排序和冒泡排序。

（4）当n较大时：可采用快速排序。

6 心得体会

1、巩固和加深了对数据结构的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2、培养了我选用参考书，查阅手册及文献资料的能力。培养独立思考，深入研究，分析问题、解决问题的能力。

3、通过实际编译系统的分析设计、编程调试，掌握应用软件的分析方法和工程设计方法。

4、通过课程设计，培养了我严肃认真的工作作风，逐步建立正确的生产观念、经济观念和全局观念。

根据我在实习中遇到得问题，我将在以后的学习过程中注意以下几点：

1、认真上好专业实验课，多在实践中锻炼自己。

2、写程序的过程中要考虑周到，严密。

3、在做设计的时候要有信心，有耐心，切勿浮躁。

4、认真的学习课本知识，掌握课本中的知识点，并在此基础上学会灵活运用。

5、在课余时间里多写程序，熟练掌握在调试程序的过程中所遇到的常见错误，以便能节省调试程序的时间。

7 参考文献

1．朱战立编著，《数据结构（C 语言版）》，西安交通大学出版2004年第3版

2.严蔚敏吴伟民著，《数据结构（C 语言版）》，清华大学出版1999 年第1版