2022-11-22 17:47:26 +08:00
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comments: true
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2023-01-31 03:37:50 +08:00
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# 11.3. 插入排序
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2022-11-23 03:56:25 +08:00
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「插入排序 Insertion Sort」是一种基于 **数组插入操作** 的排序算法。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-02-04 18:38:52 +08:00
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「插入操作」原理:选定某个待排序元素为基准数 `base`,将 `base` 与其左侧已排序区间元素依次对比大小,并插入到正确位置。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-02-04 18:38:52 +08:00
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回忆数组插入操作,我们需要将从目标索引到 `base` 之间的所有元素向右移动一位,然后再将 `base` 赋值给目标索引。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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![insertion_operation](insertion_sort.assets/insertion_operation.png)
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2022-11-23 15:50:59 +08:00
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<p align="center"> Fig. 插入操作 </p>
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2023-01-31 03:37:50 +08:00
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## 11.3.1. 算法流程
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-02-04 18:38:52 +08:00
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1. 第 1 轮先选取数组的 **第 2 个元素** 为 `base` ,执行「插入操作」后,**数组前 2 个元素已完成排序**。
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2. 第 2 轮选取 **第 3 个元素** 为 `base` ,执行「插入操作」后,**数组前 3 个元素已完成排序**。
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3. 以此类推……最后一轮选取 **数组尾元素** 为 `base` ,执行「插入操作」后,**所有元素已完成排序**。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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![insertion_sort](insertion_sort.assets/insertion_sort.png)
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2022-11-23 15:50:59 +08:00
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<p align="center"> Fig. 插入排序流程 </p>
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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=== "Java"
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2022-11-27 04:20:30 +08:00
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```java title="insertion_sort.java"
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2023-02-07 04:43:52 +08:00
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[class]{insertion_sort}-[func]{insertionSort}
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2022-12-01 18:28:57 +08:00
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```
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2022-11-27 04:20:30 +08:00
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=== "C++"
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```cpp title="insertion_sort.cpp"
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2023-02-08 04:17:26 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2022-11-27 04:20:30 +08:00
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```
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2022-11-26 01:40:49 +08:00
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=== "Python"
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2022-11-27 04:20:30 +08:00
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```python title="insertion_sort.py"
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2023-02-06 23:23:21 +08:00
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[class]{}-[func]{insertion_sort}
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2022-11-26 01:40:49 +08:00
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```
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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=== "Go"
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```go title="insertion_sort.go"
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2023-02-09 04:45:06 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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```
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=== "JavaScript"
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2023-02-08 04:27:55 +08:00
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```javascript title="insertion_sort.js"
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2023-02-08 19:45:06 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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```
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=== "TypeScript"
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```typescript title="insertion_sort.ts"
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2023-02-08 19:45:06 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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```
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=== "C"
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```c title="insertion_sort.c"
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2022-12-30 09:26:26 +08:00
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/* 插入排序 */
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2023-01-06 03:31:58 +08:00
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void insertionSort(int nums[], int size) {
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2022-12-30 09:26:26 +08:00
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// 外循环:base = nums[1], nums[2], ..., nums[n-1]
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for (int i = 1; i < size; i++)
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{
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int base = nums[i], j = i - 1;
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// 内循环:将 base 插入到左边的正确位置
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while (j >= 0 && nums[j] > base)
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{
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// 1. 将 nums[j] 向右移动一位
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nums[j + 1] = nums[j];
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j--;
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}
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// 2. 将 base 赋值到正确位置
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nums[j + 1] = base;
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}
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}
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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```
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=== "C#"
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```csharp title="insertion_sort.cs"
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2023-02-08 22:18:02 +08:00
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[class]{insertion_sort}-[func]{insertionSort}
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2022-12-03 01:31:29 +08:00
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```
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2023-01-08 19:41:05 +08:00
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=== "Swift"
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```swift title="insertion_sort.swift"
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2023-02-08 20:30:05 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2023-01-08 19:41:05 +08:00
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```
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2023-02-01 22:03:04 +08:00
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=== "Zig"
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```zig title="insertion_sort.zig"
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2023-02-09 22:57:25 +08:00
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[class]{}-[func]{insertionSort}
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2023-02-01 22:03:04 +08:00
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```
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2023-01-31 03:37:50 +08:00
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## 11.3.2. 算法特性
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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**时间复杂度 $O(n^2)$** :最差情况下,各轮插入操作循环 $n - 1$ , $n-2$ , $\cdots$ , $2$ , $1$ 次,求和为 $\frac{(n - 1) n}{2}$ ,使用 $O(n^2)$ 时间。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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**原地排序**:指针变量仅使用常数大小额外空间。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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**稳定排序**:不交换相等元素。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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**自适应排序**:最佳情况下,时间复杂度为 $O(n)$ 。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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2023-01-31 03:37:50 +08:00
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## 11.3.3. 插入排序 vs 冒泡排序
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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!!! question
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虽然「插入排序」和「冒泡排序」的时间复杂度皆为 $O(n^2)$ ,但实际运行速度却有很大差别,这是为什么呢?
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2023-01-09 22:39:30 +08:00
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回顾复杂度分析,两个方法的循环次数都是 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 。但不同的是,「冒泡操作」是在做 **元素交换**,需要借助一个临时变量实现,共 3 个单元操作;而「插入操作」是在做 **赋值**,只需 1 个单元操作;因此,可以粗略估计出冒泡排序的计算开销约为插入排序的 3 倍。
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2022-11-22 17:47:26 +08:00
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插入排序运行速度快,并且具有原地、稳定、自适应的优点,因此很受欢迎。实际上,包括 Java 在内的许多编程语言的排序库函数的实现都用到了插入排序。库函数的大致思路:
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- 对于 **长数组**,采用基于分治的排序算法,例如「快速排序」,时间复杂度为 $O(n \log n)$ ;
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- 对于 **短数组**,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 $O(n^2)$ ;
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在数组较短时,复杂度中的常数项(即每轮中的单元操作数量)占主导作用,此时插入排序运行地更快。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况类似。
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