Python排序算法大揭秘：冒泡、归并、快速排序的原理与实现

# 1. Python排序算法概述

排序算法是计算机科学中用于对数据集合进行排序（即按特定顺序排列）的基本算法。Python提供了多种内置的排序算法，包括冒泡排序、选择排序、归并排序和快速排序。这些算法各有其优缺点，适合不同的数据规模和排序需求。

本章将概述Python中常见的排序算法，包括它们的原理、代码实现、时间复杂度和空间复杂度。通过了解这些算法，我们可以根据具体场景选择最合适的算法，提高数据处理效率。

# 2. 基础排序算法

基础排序算法是排序算法中最简单的类别，它们通过逐个比较元素来对列表进行排序。这些算法易于理解和实现，但它们的效率通常较低，尤其是对于大型数据集。

### 2.1 冒泡排序

**2.1.1 冒泡排序的原理**

冒泡排序通过逐个比较相邻元素并交换它们的位置来对列表进行排序。它重复这个过程，直到列表中所有元素都按升序排列。

**2.1.2 冒泡排序的代码实现**

def bubble_sort(arr):
    """
    冒泡排序算法

    参数：
        arr：要排序的列表

    返回：
        已排序的列表
    """
    n = len(arr)
    for i in range(n):
        for j in range(0, n - i - 1):
            if arr[j] > arr[j + 1]:
                arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]
    return arr

**代码逻辑逐行解读：**

* `n = len(arr)`：获取列表的长度。
* `for i in range(n)`：外部循环表示排序的趟数。
* `for j in range(0, n - i - 1)`：内部循环表示每趟排序中需要比较的元素对数。
* `if arr[j] > arr[j + 1]`：比较相邻元素的大小。
* `arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]`：如果相邻元素的顺序不正确，则交换它们。

### 2.2 选择排序

**2.2.1 选择排序的原理**

选择排序通过在列表中找到最小元素并将其与列表开头交换来对列表进行排序。它重复这个过程，直到列表中所有元素都按升序排列。

**2.2.2 选择排序的代码实现**

def selection_sort(arr):
    """
    选择排序算法

    参数：
        arr：要排序的列表

    返回：
        已排序的列表
    """
    n = len(arr)
    for i in range(n):
        min_idx = i
        for j in range(i + 1, n):
            if arr[j] < arr[min_idx]:
                min_idx = j
        arr[i], arr[min_idx] = arr[min_idx], arr[i]
    return arr

**代码逻辑逐行解读：**

* `n = len(arr)`：获取列表的长度。
* `for i in range(n)`：外部循环表示排序的趟数。
* `min_idx = i`：初始化最小元素的索引为当前索引。
* `for j in range(i + 1, n)`：内部循环表示每趟排序中需要比较的元素对数。
* `if arr[j] < arr[min_idx]`：比较当前元素与最小元素的大小。
* `arr[i], arr[min_idx] = arr[min_idx], arr[i]`：如果当前元素更小，则更新最小元素的索引。
* `arr[i], arr[min_idx] = arr[min_idx], arr[i]`：将最小元素与列表开头交换。

# 3.1 归并排序

#### 3.1.1 归并排序的原理

归并排序是一种分治排序算法，它通过将一个无序列表分解成更小的子列表，然后递归地对这些子列表进行排序，最后将排序后的子列表合并成一个排序好的列表。

归并排序的原理如下：

1. 将待排序的列表分为两半。
2. 对每个子列表递归地应用归并排序。
3. 将排序后的子列表合并成一个排序好的列表。

#### 3.1.2 归并排序的代码实现

Python 中归并排序的代码实现如下：

def merge_sort(arr):
    """
    归并排序算法

    :param arr: 待排序的列表
    :return: 排序后的列表
    """

    # 如果列表长度为 1，则直接返回
    if len(arr) <= 1:
        return arr

    # 将列表分为两半
    mid = len(arr) // 2
    left_half = arr[:mid]
    right_half = arr[mid:]

    # 递归地对两个子列表进行排序
    left_half = merge_sort(left_half)
    right_half = merge_sort(right_half)

    # 合并排序后