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【C++】2039：【例5.6】冒泡排序

news 来源：原创 2025/5/16 18:01:58

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博客主页： [小ᶻ☡꙳ᵃⁱᵍᶜ꙳] 本文专栏: C++

文章目录

💯前言
💯题目描述
💯我的初步实现
- 我的代码实现问题分析
💯老师的实现方式
- 老师代码的特点分析
- 老师代码的执行过程
💯我的代码与老师代码的对比
- 优点对比
- 可改进之处
💯冒泡排序的优化与扩展
- 1. 提前终止优化
- 2. 时间复杂度分析
- 3. 冒泡排序的优缺点
- - 优点：
  - 缺点：
💯小结

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💯前言

排序是计算机科学中的基础技能之一，而在众多的排序算法中，冒泡排序是一种简单易懂但效率不高的算法。这篇文章将通过一个实际的题目来详细讲解冒泡排序的原理、实现和优化，并对不同实现方式进行深入分析与对比。本文旨在帮助读者透彻理解冒泡排序的核心思想，掌握其实现细节，并在学习中培养优化代码的意识。
C++ 参考手册

💯题目描述

2039：【例5.6】冒泡排序
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本次的题目要求编写程序实现从大到小排序的冒泡排序算法。以下是完整的题目描述：

题目名称：冒泡排序

题目描述：
编程输入 $n$ $\leq n \leq 20)$ 个小于 $1000$ 的非负整数，然后自动按从大到小的顺序输出。（冒泡排序）

输入格式：

第一行，数字个数 $n$ ；
第二行， $n$ 个非负整数。

输出格式：

按从大到小的顺序输出 $n$ 个非负整数，每个数占一行。

输入样例：

5
2 5 8 6 12

输出样例：

💯我的初步实现

以下是我的初步代码实现，采用了传统的冒泡排序算法。

#include <iostream>
using namespace std;const int N = 25;
int arr[N];int main()
{int n = 0;cin >> n;for(int i = 0; i < n; i++){cin >> arr[i];}for(int m = 1; m < n; m++){for(int i = 0; i < n; i++){if(arr[i] < arr[i + 1]){int temp = arr[i + 1];arr[i + 1] = arr[i];arr[i] = temp;}}}for(int i = 0; i < n; i++){cout << arr[i] << endl;}return 0;
}

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我的代码实现问题分析

数组越界问题
- 内层循环条件是 i < n，这会导致在最后一次循环时访问 arr[i+1]，从而导致数组越界。
- 正确的循环范围应该是 i < n - 1。
冗余比较
- 冒泡排序的内层循环范围可以逐渐缩小，每轮外层循环结束后，未排序部分的最后一个元素已经是当前范围的最大值，无需再比较。
可读性不佳
- 外层和内层循环的逻辑可以通过变量命名和结构调整进一步优化，提高代码的可读性和易理解性。

💯老师的实现方式

以下是老师提供的冒泡排序代码：

#include <iostream>
using namespace std;const int N = 20;
int arr[N];int main()
{int n = 0;cin >> n;for (int i = 0; i < n; i++){cin >> arr[i];}for (int i = 0; i < n - 1; i++){for (int j = 0; j <= n - 1 - i; j++){if (arr[j] < arr[j + 1]){int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}}for (int i = 0; i < n; i++){cout << arr[i] << endl;}return 0;
}

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老师代码的特点分析

外层循环控制排序轮次
- for (int i = 0; i < n - 1; i++) 控制冒泡排序的轮次，最多需要 n-1 轮即可完成排序。
内层循环范围逐渐缩小
- for (int j = 0; j <= n - 1 - i; j++) 每轮内层循环范围逐渐缩小，避免对已经排好序的部分进行无效比较。
从大到小排序的核心条件
- if (arr[j] < arr[j + 1]) 实现从大到小的顺序。只有当前一个元素小于后一个元素时，才交换两者的位置。

老师代码的执行过程

以下通过一个输入样例 5 2 5 8 6 12 来演示代码执行过程：

初始数组：[2, 5, 8, 6, 12]
第 1 轮冒泡：
- 比较 2 和 5，交换，数组变为 [5, 2, 8, 6, 12]
- 比较 2 和 8，交换，数组变为 [5, 8, 2, 6, 12]
- 比较 2 和 6，交换，数组变为 [5, 8, 6, 2, 12]
- 比较 2 和 12，交换，数组变为 [5, 8, 6, 12, 2]
第 2 轮冒泡：
- 比较 5 和 8，交换，数组变为 [8, 5, 6, 12, 2]
- 比较 5 和 6，交换，数组变为 [8, 6, 5, 12, 2]
- 比较 5 和 12，交换，数组变为 [8, 6, 12, 5, 2]
第 3 轮冒泡：
- 比较 8 和 6，不交换。
- 比较 6 和 12，交换，数组变为 [8, 12, 6, 5, 2]
第 4 轮冒泡：
- 比较 8 和 12，交换，数组变为 [12, 8, 6, 5, 2]

最终输出：

💯我的代码与老师代码的对比

优点对比

老师的代码避免了我的实现中存在的数组越界问题。
内层循环范围优化：老师代码的内层循环范围逐渐缩小，减少了无效比较。

可改进之处

老师的代码没有加入“提前终止”优化。如果某一轮没有发生任何交换，说明数组已经有序，可以提前结束外层循环。

💯冒泡排序的优化与扩展

1. 提前终止优化

以下是加入“提前终止”优化的代码：

for (int i = 0; i < n - 1; i++)
{bool swapped = false;for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++){if (arr[j] < arr[j + 1]){int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;swapped = true;}}if (!swapped) break;
}

原理：如果某轮排序中没有发生任何交换，说明数组已经是有序的，可以直接跳出外层循环，从而减少不必要的遍历。

2. 时间复杂度分析

最优时间复杂度：当数组本身已经有序时，冒泡排序只需进行一次完整的遍历，复杂度为 $O (n)$ 。
最坏时间复杂度：数组完全逆序时，冒泡排序需要进行 $n (n - 1) /2$ 次比较，复杂度为 $O(n^2)$ 。
平均时间复杂度： $O(n^2)$ 。

3. 冒泡排序的优缺点

优点：

实现简单，代码易于理解。
对于小规模数据，性能尚可。
稳定排序：相同元素的相对顺序不会改变。

缺点：

时间复杂度较高，不适合大规模数据。
交换操作多，影响性能。

💯小结

通过本文对题目的详细解析，我们不仅理解了冒泡排序的基本原理与实现过程，还对代码中的潜在问题进行了修复与优化。冒泡排序虽然不是高效的排序算法，但它的简单性使其成为学习排序思想的绝佳起点。通过对比不同的实现方式和优化策略，希望读者能够更加深刻地理解排序的核心思想，并在实际编程中灵活应用更高效的排序算法。

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学习 C++ 的过程如同一场探索复杂编程世界的旅程。在这个旅途中，我深刻体会到了 C++ 的强大，同时也感受到它的复杂性。以下是我的一些学习心得和感悟，希望能够对正在学习 C++ 的朋友们有所帮助。

扎实基础是关键
C++ 的复杂性往往体现在它是一个“多范式”的编程语言，既支持面向过程，也支持面向对象，同时还提供了现代化的泛型编程和函数式编程能力。在学习初期，掌握基础概念非常重要，例如：

变量和数据类型： 理解变量的作用域、生命周期，熟悉基础类型（如 int、double）以及它们的内存占用。
控制流： 熟练掌握 if-else、for、while 等基本语法结构，这是编程逻辑的核心。
数组和指针： 理解一维数组、二维数组，特别是指针与数组之间的关系，以及指针的实际用途。

基础知识扎实，才能在后续深入学习复杂特性时不被细节绊住脚步。

理解面向对象编程的核心
C++ 是一门面向对象的语言，OOP（Object-Oriented Programming）是其核心思想之一。在学习面向对象编程时，我总结出以下几点心得：

类与对象： 理解类是对象的模板，而对象是类的具体实例。要清楚类的定义和对象的创建过程。
封装性： 通过 public、private 和 protected 等访问权限控制，保护对象的内部状态。
继承性： 学会通过继承复用已有代码，并理解多态的作用。尤其需要搞清楚虚函数的机制和作用。
多态性： 理解动态绑定和静态绑定的差异，虚函数表（vtable）的概念对理解多态背后的实现至关重要。

抓住 C++ 的现代特性
C++ 从最初的 C++98 到现在的 C++20，语言特性发生了巨大的变化。学习现代 C++ 特性不仅可以让代码更简洁高效，也可以大幅提升程序的可读性。以下几个现代特性是我学习中的重点：

智能指针（Smart Pointer）： 传统指针的内存管理很复杂，而现代 C++ 提供了 std::shared_ptr、std::unique_ptr 等智能指针，大大简化了内存管理。
STL（标准模板库）： STL 是 C++ 的一大优势，学习如何使用容器（如 vector、map、set）和算法（如 sort、find）可以大幅提高开发效率。
lambda 表达式： 学习 lambda 表达式可以帮助写出简洁的代码，尤其是在配合 STL 算法时。
constexpr 和 auto： 这些特性使代码更加灵活高效，例如 constexpr 在编译期计算常量，auto 自动推导变量类型。

学会调试和优化
编程不可能一次成功，尤其是面对复杂的 C++ 程序，调试能力显得尤为重要。我在学习过程中发现，掌握以下调试技巧非常关键：

使用调试器： 熟练使用 gdb 或 IDE（如 VSCode、CLion）的调试工具，能快速定位问题。
日志输出： 在关键位置添加调试信息（std::cout），可以快速了解程序的运行状态。
内存调试： 借助工具（如 Valgrind）检查内存泄漏和未定义行为，这对 C++ 尤其重要。

同时，在程序优化方面，也需要不断思考如何让代码更高效：

算法优化： 优化算法的时间复杂度和空间复杂度。
避免冗余拷贝： 使用引用传递（const &）或移动语义（std::move）。
线程并发： 学习 C++ 的多线程支持（如 std::thread、std::async），在多核时代尤为重要。

理解内存管理的复杂性
C++ 的强大之处在于对内存的直接控制，但这同时也是学习的难点之一。在内存管理方面，我总结了以下几点：

动态内存分配： 学会使用 new 和 delete，但同时也要理解其局限性。
避免内存泄漏： 每次分配的内存必须确保释放，养成良好的编程习惯。
RAII（资源获取即初始化）： 通过构造函数获取资源，析构函数释放资源，避免手动管理资源的复杂性。
智能指针的使用： 用智能指针替代裸指针，是现代 C++ 的推荐实践。

实践是最好的老师
学习编程语言的最终目标是使用它解决实际问题。因此，多写代码、多实践是掌握 C++ 的关键。在学习过程中，我尝试做了以下事情：

实现数据结构和算法： 用 C++ 实现常见的数据结构（如链表、栈、队列）和算法（如排序、搜索）。
编写小项目： 比如一个简单的学生管理系统，包含类的定义、文件操作、输入输出等。
参与开源项目： 在 GitHub 上寻找 C++ 的开源项目，阅读代码并尝试贡献。

通过实践，我不仅巩固了语法知识，也锻炼了编程思维和解决问题的能力。

坚持学习，永不止步
C++ 是一门深奥的语言，其应用范围极广，从操作系统到图形渲染、从嵌入式开发到游戏引擎，都能看到它的身影。因此，学习 C++ 是一个持续深入的过程。要保持好奇心和耐心，深入理解语言的细节，同时不断学习最新的语言标准和实践方法。

总结
学习 C++ 是一场挑战，也是一场收获满满的旅程。从基础语法到面向对象，从 STL 到现代特性，再到内存管理和性能优化，每一步都让我对编程有了更深的理解。C++ 不仅教会了我编程技能，更让我养成了严谨和高效的思维习惯。

对于初学者，我的建议是：扎实基础，循序渐进；多写代码，多做总结；不怕犯错，坚持不懈。最终，你会发现，C++ 的世界不仅复杂，更充满无限可能！

【C++】2039：【例5.6】冒泡排序

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