【C语言】插入排序、希尔排序——动图展示

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1. 插入排序

1.1 基本概念

把待排序的记录逐个插入到一个已经排好序的有序序列中，直到所有的记录插入完为止，得到一个新的有序序列 。

• 实际中我们玩扑克牌时，梳理牌的过程，就用了插入排序的思想
  

假设n个数，n-1的数已经是排序好的（n>1，因为1个数默认是有序的），把第n个数插入到合适的位置，依次将数据插入到排好序的合适位置，直到所有数据都有序，这样长度为n个数就排好序了。

1.2 实现思路

思路（以升序为例）

1. 假设第一个数据（下标0）有序，后面的n-1个数据都需要插入到有序数组里
2. 保存有序数据后面一个数据（tmp）
3. 移动数据，需要把新数据插入有序数据中的合适位置（tmp < end）
4. 移动数据停止条件有两个：

• 最坏情况：tmp比全部有序的数据要小，有序数据从头到尾都需要移动，end移动到-1，说明移动完成。
• 当tmp > end下标的数据，说明已经有序了。

5. 插入数据到end+1的下标位置，因为end下标的数据是小于tmp。

1.3 代码部分

// 插入排序（升序）
void InsertSort(int* a, int n)
{	// i迭代n - 1结束，到n结束会越界，因为需要访问未排序的数据（i+1 == n+1），就会越界for (int i = 0; i < n - 1; i++){int end = i;	// 有序的个数int tmp = a[end + 1];	// 需要插入的新数据（未排序的数据）// 新的数据想要插入都有序数据中，需要移动数据，插入到合适的位置// 以升序为例，最坏情况：新数据比全部有序的数据要小，有序数据都需要移动// while和if条件合并判断如下while (end >= 0 && tmp < a[end]){a[end + 1] = a[end];end--;}while (end >= 0){// 新数据小于有序数据就要移动数据if (tmp < a[end]){a[end + 1] = a[end];end--;}else{// 已经有序break;}}// 插入数据到end+1的下标位置，end < tmpa[end + 1] = tmp;}
}

2. 希尔排序

2.1 为什么会有希尔排序？

直接插入排序有缺陷，就是数据是接近逆序或逆序的时候，排的非常慢，效率很低，但是直接插入排序在数据接近有序的情况下，效率很高，而希尔排序就是直接插入排序的优化，他就是能解决数据逆序排的慢问题。

2.2 基本概念

希尔排序法又称缩小增量法，插入排序的优化。希尔排序法的基本思想是：先选定一个整数（gap），把待排所有数据分成gap个组，所有距离为差相同的数据分在同一组内，并对每一组内的记录进行排序。然后缩小gap，重复上述分组和排序的工作。当到达gap=1时，所有数据在统一组内排好序。

2.3 实现思想

排序分为两步：

• 预排序 gap > 1，目的是让数据接近有序
• 直接排序 gap = 1，目的是数据有序

1）单组排序

假设gap = 3，逆序数组排一组序

从上图看到，在一组数据中最大值就排到最后的位置

代码演示：

	int gap = 3;for (int end = 0; end < n - gap; end += gap){int tmp = a[end + gap];while (end >= 0){if (tmp < a[end]){a[end + gap] = a[end];end -= gap;}else{break;}}a[end + gap] = tmp;}

这里我们可以发现，单趟排序和直接插入排序，大同小异，只不过把1的位置换成gap。

2）多组排序

多趟排序，相比于单趟，单趟只能排一组为相差gap的数，而多趟可以排多组相差gap的数。

实现起来也很简单，只不过是让end的递增为1（end++），只不过未排序的数据以当前end+gap，就能相差gap，分组数据同时排序了，不过需要注意的是结束条件 end < n - gap，否则会造成越界，因为未数据是保存的是当前end+gap（a[end + gap]），大家可以看下图

gap为4，逆序数组排多组序

从结果来看上面的数据不仅没有排成接近有序，反而变得更乱了，但是他排的很快，因为每次递增gap，最终结束条件是n -gap，而且能让大的数越快排到后面

gap为3，逆序数组多趟排一组序

上图显示一组的多趟排序，相同颜色为一组，可以看到将数据变得接近有序了，我们只需要在缩小gap，数据会越来越有序，直到gap=1，直接插入排序。

所以如：排升序

• gap越大，大的数越快到后面，小的数越快到前面，但是预排序完，越不接近有序
• gap越小，序列越接近有序

所以我们可以先让gap很大，再让gap很小，这样排序完，就可以很好的解决逆序问题，同时效率相比直接插入排序，大大提升

希尔排序和插入排序最大区别就是分组排序，不像插入排序每次连续数据比较，差距为1

gap设置多少合适呢？

希尔排序会根据数据的个数来计算出gap，以达到gap就合适的距离。
最好gap是每次 gap / 3 或 gap / 2
gap / 3：时间复杂度$O（lo{g}_{3}N）$，gap / 3 / 3 / 3 / 3 / …… = 0
gap / 2：时间复杂度$O（lo{g}_{2}N）$，gap / 2 / 2 / 2 / 2 / …… = 1

注意gap / 3，不能保证最后结果是1，我们需要在运算后+1，如6 / 3 = 2，2 / 3 = 0，0就不能满足我想要的插入排序。

gap / 3，官方总结算出的时间复杂度是$$O(N^{1.3})$$

2.4 代码部分

这里注释写的并不多，因为大多数地方是和直接插入排序相似，直接插入排序注释写的比较详细

// 希尔排序（升序）
void ShellSort(int* a, int n)
{int gap = n;while (gap > 1){// 缩小gap，最后加1，是确保最后gap=1，为直接插入排序gap = gap / 3 + 1;// 一次排多组差距为gap的数据for (int i = 0; i < n - gap; i++){int end = i;int tmp = a[end + gap];while (end >= 0){if (a[end] > tmp){a[end + gap] = a[end];}else{break;}}a[end + gap] = tmp;}}
}

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3. 总结

直接插入时间复杂度是$O(N^2)$，比如在排逆序数据的时候，但是在有序或接近有序的时间，效率很高，所以希尔排序就对这个缺陷进行了优化，预排序就可以很好解决的这个问题，希尔排序平均复杂度是$O(N^{1.3})$