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快速排序详析设计数据结构课程设计报告
数据结构课程设计报告
快速排序详析的设计
专业 计算机科学与技术 学生姓名 班级 学号 指导教师 完成日期
目 录
1. 设计内容 1
1.1 排序基本知识 1
1.2 快速排序算法介绍 1
1.3 设计题目 2
2. 设计分析 3
2.1 快速排序的分析 3
2.2 系统流程图设计 4
2.3 系统的详细设计 5
3. 设计实践 6
3.1 开发环境 6
3.2 快速排序过程 7
3.3 调试过程 8
3.4 代码实现 11
4. 测试方法 15
4.1 测试方案 15
4.2 测试结果 15
5. 程序运行效果 15
6. 设计心得 19
参考文献 20
快速排序详析的设计
1. 设计内容
1.1 排序基本知识
排序(Sorting)是计算机程序设计的一种重要操作,它的功能是将一组任意顺序数据元素(记录),根据某一个(或几个)关键字按一定的顺序重新排列成为有序的序列。由于待排序的记录数量不同,使得排序过程中涉及的存储器的不同,可将排序方法分为两大类:一类是内部排序,指的是待排序的记录存放在计算机随机存储器中进行的排序过程;另一类是外部排序,指的是待排序记录的数量很大,以致内存一次不能容纳全部记录,在排序过程中尚需要对外在进行访问的排序过程。
内部排序的方法有很多,但就其全面性能而言,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。按照其策略不同,可归纳为五类:插入排序、交换排序、选择排序、归并排序和基数排序。
1.2 快速排序算法介绍
快速排序就像它的名称所暗示的,是一种快速的分而治之的算法,平均时间复杂度为O(nlog2n)。它的速度主要归功于一个非常紧凑并且高度化的内部循环。其基本算法Quicksort(S)由以下四个步骤组成:
(1)如果S中的元素的数目为0或1,则返回。
(2)选择S中的任意一个元素v,v叫做支点(Pivot)。
(3)将S-{v}(剩下的元素在S中)分成两个分开的部分。L={x属于S-{v}|x=v}和R={x属于S-{v}|x=v}。
(4)依次返回Quicksort(L)、v和Quicksort(R)的结果。
基本的快速排序算法可以应用递归实现。关键的细节包括支点的选择如何分组。该算法允许把任何元素作为支点。支点把数组分为两组:小于支点的元素集和大于支点的元素集。
显然该算法成立,但是不清楚的是,为什么它比归并排序快。如同归并排序那样,快速排序递归地解决两个之间问题并需要线性的附加工作(第3步),不过,与递归排序不同,这两个子问题并不保证逐步具有相等的大小,这是个潜在的隐患。快速排序更快的原因在于,第3步划分成两组实际上是在适当的位置进行,并且非常有效,它的高效不仅弥补了大小不等的递归的不足而且还超过了它。
这里介绍的方法是大量分析和经验研究的结果,它代表实现快速排序的非常有效的方法,哪怕是对该方法最微小的偏差都可能引起意想不到的不良结果。
1.3 设计题目
设计并实现一种快速排序(Quicksort)的优化版本,并且比较在下列组合情况下算法的性能表现。
cutoff值从0~20。cutoff值的作用是只有当数组的长度小于等于这个值时,才使用另一种简单排序方法对其排序,否则使用Quicksort算法排序。
选定支点的方法分别是“第一个元素”,“三个元素的中值”,“五个元素的中值”。
对上述的测试分别要采用顺序、逆序、随机三种类型的输入文件。
输入文件中测试数组的大小可以从1000个数到10000个数不等。程序从input.txt文件中读取输入,输出到output.txt 文件。例如:
input.txt内容如下。
5 /*数字的个数*/
5 4 3 2 1 /*数字用空格分开*/
/*两组测试中间空一行*/
10
4 6 8 7 5 1 3 9 2 0
相应的output.txt内容如下。
Case number :1
Number of elements:5
1 2 3 4 5
Case number :2
Number of elements:10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
程序的重点在于对每种组合情况下算法性能的比较。不同的运行时间要用图表表示出来,在图表中要区分由文件大小的不同而产生的差别。
2. 设计分析
2.1 快速排序的分析
(1)最好情况:快速排序的最好情况是支点把集合分成两个同等大小的子集,并且在递归的每个阶段都这样划分。然后就有了两个一半大小的递归调用和线性的分组开销。在这种情况下运行的时间复杂度是O(nlog2n)。
(2)最坏情况:假设在每一步的递归调用中,支点都恰好是最小的元素。这样小元素的集合
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