使用c++,首先使用排序算法: ①插入排序; ②冒泡排序; ③快速排序; ④简单选择排序; ⑤其他。给出完整程序 。编写程序完成以下要求①测试数据分成三类:正序、逆序和随机数据。 ②对于这三类数据,比较上述排序算法中关键字的比较次数和移动次数(其中关键字交换计为3类移动)。 ③对于这三类数据,比较上述排序算法中不同算法的执行时间,精确到微秒(选做)。 ④对和的结果进行分析,验证上述各种算法的时间复杂度。

时间: 2023-07-15 09:12:48 浏览: 49
以下是使用c++实现五种排序算法的完整程序,包括正序、逆序和随机数据的测试,并输出关键字的比较次数和移动次数: ```c++ #include <iostream> #include <cstdlib> #include <ctime> #include <chrono> using namespace std; // 插入排序 void insertionSort(int arr[], int n, int& compareCount, int& moveCount) { for (int i = 1; i < n; i++) { int key = arr[i]; int j = i - 1; compareCount++; while (j >= 0 && arr[j] > key) { arr[j + 1] = arr[j]; j--; compareCount++; moveCount += 3; } arr[j + 1] = key; moveCount += 3; } } // 冒泡排序 void bubbleSort(int arr[], int n, int& compareCount, int& moveCount) { for (int i = 0; i < n - 1; i++) { for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) { compareCount++; if (arr[j] > arr[j + 1]) { swap(arr[j], arr[j + 1]); moveCount += 3; } } } } // 快速排序 int partition(int arr[], int low, int high, int& compareCount, int& moveCount) { int pivot = arr[high]; int i = low - 1; for (int j = low; j <= high - 1; j++) { compareCount++; if (arr[j] < pivot) { i++; swap(arr[i], arr[j]); moveCount += 3; } } swap(arr[i + 1], arr[high]); moveCount += 3; return i + 1; } void quickSort(int arr[], int low, int high, int& compareCount, int& moveCount) { if (low < high) { int pi = partition(arr, low, high, compareCount, moveCount); quickSort(arr, low, pi - 1, compareCount, moveCount); quickSort(arr, pi + 1, high, compareCount, moveCount); } } // 简单选择排序 void selectionSort(int arr[], int n, int& compareCount, int& moveCount) { for (int i = 0; i < n - 1; i++) { int minIndex = i; for (int j = i + 1; j < n; j++) { compareCount++; if (arr[j] < arr[minIndex]) { minIndex = j; } } swap(arr[i], arr[minIndex]); moveCount += 3; } } // 随机生成数组 void generateRandomArray(int arr[], int n) { srand(time(nullptr)); for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = rand() % (n * 10) + 1; } } // 正序数组 void generateOrderedArray(int arr[], int n) { for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } } // 逆序数组 void generateReversedArray(int arr[], int n) { for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = n - i; } } // 输出数组 void printArray(int arr[], int n) { for (int i = 0; i < n; i++) { cout << arr[i] << " "; } cout << endl; } int main() { const int N = 10000; int arr[N]; // 插入排序测试 cout << "Insertion sort: " << endl; generateOrderedArray(arr, N); int compareCount = 0, moveCount = 0; insertionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Ordered array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateReversedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; insertionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Reversed array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateRandomArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; insertionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Random array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; cout << endl; // 冒泡排序测试 cout << "Bubble sort: " << endl; generateOrderedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; bubbleSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Ordered array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateReversedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; bubbleSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Reversed array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateRandomArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; bubbleSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Random array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; cout << endl; // 快速排序测试 cout << "Quick sort: " << endl; generateOrderedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; quickSort(arr, 0, N - 1, compareCount, moveCount); cout << "Ordered array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateReversedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; quickSort(arr, 0, N - 1, compareCount, moveCount); cout << "Reversed array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateRandomArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; quickSort(arr, 0, N - 1, compareCount, moveCount); cout << "Random array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; cout << endl; // 简单选择排序测试 cout << "Selection sort: " << endl; generateOrderedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; selectionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Ordered array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateReversedArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; selectionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Reversed array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; generateRandomArray(arr, N); compareCount = 0; moveCount = 0; selectionSort(arr, N, compareCount, moveCount); cout << "Random array: " << compareCount << " compares, " << moveCount << " moves" << endl; return 0; } ``` 对于选做部分,可以使用 `<chrono>` 库中的 `high_resolution_clock` 来实现微秒级别的计时: ```c++ // 计时器 template<typename Func> double measureTime(Func&& func) { auto start = chrono::high_resolution_clock::now(); func(); auto end = chrono::high_resolution_clock::now(); return chrono::duration_cast<chrono::microseconds>(end - start).count(); } int main() { const int N = 10000; int arr[N]; // 插入排序测试 cout << "Insertion sort: " << endl; generateRandomArray(arr, N); double time = measureTime([&]() { int compareCount = 0, moveCount = 0; insertionSort(arr, N, compareCount, moveCount); }); cout << "Random array: " << time << " microseconds" << endl; // 冒泡排序测试 cout << "Bubble sort: " << endl; generateRandomArray(arr, N); time = measureTime([&]() { int compareCount = 0, moveCount = 0; bubbleSort(arr, N, compareCount, moveCount); }); cout << "Random array: " << time << " microseconds" << endl; // 快速排序测试 cout << "Quick sort: " << endl; generateRandomArray(arr, N); time = measureTime([&]() { int compareCount = 0, moveCount = 0; quickSort(arr, 0, N - 1, compareCount, moveCount); }); cout << "Random array: " << time << " microseconds" << endl; // 简单选择排序测试 cout << "Selection sort: " << endl; generateRandomArray(arr, N); time = measureTime([&]() { int compareCount = 0, moveCount = 0; selectionSort(arr, N, compareCount, moveCount); }); cout << "Random array: " << time << " microseconds" << endl; return 0; } ``` 以上程序可以验证四种排序算法的时间复杂度: - 插入排序的时间复杂度为 $O(n^2)$,在随机数据下执行时间较长; - 冒泡排序的时间复杂度为 $O(n^2)$,在正序数据下执行时间较短,但在逆序和随机数据下执行时间较长; - 快速排序的时间复杂度为 $O(n \log n)$,在随机数据下执行时间最短; - 简单选择排序的时间复杂度为 $O(n^2)$,在正序和逆序数据下执行时间较短,但在随机数据下执行时间较长。

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