：单片机排序算法性能评估：基准测试与分析，助你优化算法

# 1. 单片机排序算法概述**

排序算法是计算机科学中一种基本的数据结构操作，用于对一组数据进行重新排列，使其满足某种顺序关系。在单片机系统中，排序算法具有广泛的应用，例如数据管理、信号处理和控制系统。

单片机排序算法通常需要考虑以下特点：

* **资源受限：**单片机系统通常具有有限的存储空间和计算能力，因此排序算法需要高效且占用资源较少。
* **实时性：**在某些应用中，排序算法需要快速响应，以满足实时性要求。
* **数据类型：**单片机系统处理的数据类型可能多种多样，包括整数、浮点数和字符串，因此排序算法需要具有良好的数据类型兼容性。

# 2. 单片机排序算法性能基准测试

### 2.1 算法选择与测试环境

#### 2.1.1 常用排序算法简介

在单片机系统中，常用的排序算法包括：

- **冒泡排序**：通过不断比较相邻元素并交换位置，将最大元素依次移到数组末尾。
- **插入排序**：将待排序元素逐个插入到已排序序列中，使其保持有序。
- **快速排序**：基于分治思想，将数组划分为两部分，分别递归排序。
- **归并排序**：同样基于分治思想，将数组拆分为多个子数组，递归排序后合并。

#### 2.1.2 测试平台和测试数据

为了公平比较不同算法的性能，需要选择一个统一的测试平台和测试数据。

**测试平台：**

- 单片机型号：STM32F103C8T6
- 时钟频率：72MHz
- 内存：128KB Flash，20KB RAM

**测试数据：**

- 数据类型：无符号整数
- 数据规模：1000、5000、10000
- 数据分布：随机分布

### 2.2 算法性能指标

#### 2.2.1 时间复杂度

时间复杂度表示算法执行所需的时间，通常用大 O 符号表示。对于排序算法，时间复杂度主要取决于数据规模 n。

- 冒泡排序：O(n^2)
- 插入排序：O(n^2)
- 快速排序：O(n log n)
- 归并排序：O(n log n)

#### 2.2.2 空间复杂度

空间复杂度表示算法执行所需的额外空间，通常用 O 符号表示。对于排序算法，空间复杂度主要取决于排序过程中需要创建的辅助数据结构。

- 冒泡排序：O(1)
- 插入排序：O(1)
- 快速排序：O(log n)
- 归并排序：O(n)

#### 2.2.3 内存访问模式

内存访问模式是指算法在排序过程中访问内存的规律。对于单片机系统，内存访问模式会影响算法的执行效率。

- 冒泡排序：顺序访问
- 插入排序：顺序访问
- 快速排序：随机访问
- 归并排序：随机访问

### 代码块 1：冒泡排序 C 代码

void bubbleSort(int *arr, int size) {
    int i, j;
    for (i = 0; i < size - 1; i++) {
        for (j = 0; j < size - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

**逻辑分析：**

- 外层循环 i 遍历数组，将最大元素依次移动到数组末尾。
- 内层循环 j 比较相邻元素，如果逆序则交换。

**参数说明：**

- arr：待排序数组
- size：数组大小

### 表格 1：不同算法时间复杂度比较

| 算法 | 时间复杂度 |
|---|---|
| 冒泡排序 | O(n^2) |
| 插入排序 | O(n^2) |
| 快速排序 | O(n log n) |
| 归并排序 | O(n log n) |

### mermaid 流程图：快速排序流程

graph LR
subgraph 快速排序
    start[开始] --> compare[比较]
    compare --> split[分割]
    split --> sort[排序]
    sort --> merge[合并]
    merge --> end[结束]
end

**流程说明：**

- 比较：将数组划分为两部分，一部分比基准值小，另一部分比基准值大。
- 分割：递归对两部分进行排序。
- 排序：对两部分排序。
- 合并：将排序后的两部分合并。

# 3. 单片机排序算法性能分析

### 3.1 不同算法的性能比较

#### 3.1.1 冒泡排序与快速排序

冒泡排序和快速排序是单片机系统中常用的两种排序算法。冒泡排序是一种简单易懂的算法，通过不断比较相邻元素并交换位置，将最大元素逐个移动到数组末尾。快速排序则是一种分治算法，通过选取一个枢纽元素，将数组划分为两部分，分别递归排序两部分，最后合并排序结果。

// 冒泡排序
void bubbl