数据结构设计任务书.docx
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数据结构设计任务书
学号：
课程设计
题目
交换排序的设计与实现
学院
计算机科学与技术学院
专业
班级
姓名
指导教师
2012
年
1
月
2
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
交换排序的设计与实现
初始条件：
理论：
学习了《数据结构》课程，掌握了一种计算机高级语言。
实践：
计算机技术系实验中心提供计算机及软件开发环境。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、系统应具备的功能：
（1）随机产生10个和1000个数据
（2）实现起泡排序和快速排序
（3）比较各种交换排序的优劣
2、数据结构设计；
3、主要算法设计；
4、编程及上机实现；
5、撰写课程设计报告，包括：
（1）设计题目；
（2）摘要和关键字（中文和英文）；
（3）正文，包括引言、需求分析、数据结构设计、算法设计、有关技术的讨论、设计体会等；
（4）结束语；
（5）参考文献。
时间安排：
2012年1月2日－6日（第18周）
1月2日查阅资料
1月3日系统设计，数据结构设计，算法设计
1月4日-5日编程并上机调试
1月6日撰写报告
1月7日验收程序，提交设计报告书。
指导教师签名：
2012年1月2日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要..............................................3
Abstract..........................................4
1引言.............................................5
1.1起泡排序.....................................5
1.2快速排序.....................................5
2需求分析.........................................6
2.1产生随机数...................................6
2.2输出执行时间.................................6
2.3对关键字排序.................................6
2.3.1起泡排序.................................6
2.3.2快速排序.................................6
2.4数据结构.....................................6
4程序（算法）设计分析.............................7
4.1起泡排序.....................................7
4.2快速排序.....................................8
4.3运行结果....................................10
4.4结果分析....................................11
5有关技术的讨论..................................12
6设计体会（结束语）..............................13
参考文献
摘要交换排序最基本简单的就是起泡排序了，基于起泡排序的优化算法又有双向起泡排序。
而除起泡排序之外，快速也是很常见的交换排序算法。
关键字记录、排序、枢轴、有序、分治法.
AbstractExchangesortisthemostbasicsimplebubblesort,andbubblesortbasedoptimizationalgorithmshavebi-directionalbubblesort.Andinadditiontobubblesort,thefast-exchangeisalsoverycommonsortingalgorithms.
Keywordsrecord、Sort、pivot、order、thedivideandconquermethod.
1引言
1.1起泡排序
起泡排序过程很简单。
首先将第一个关键字和第二个关键字进行比较，若为逆序，则将两关键字交换，然后比较第二个和第三个关键字，依此类推，直至第n-1个和第n个关键字相比较，结果使最大的关键字被安置到最后一个位置上，此为一趟起泡排序。
然后开始第二趟起泡排序，其结果是将次大的关键字被安置到第n-1个位置上，以此类推，直至序列有序。
1.2快速排序
交换排序是一种效率很好的排序方法，适用于排序问题的规模很大但对于稳定性不作要求的情况。
它的设计方法是分治法，基本思想是：
在待排序列中选择一个对象作为枢轴，然后进行一趟快速排序，将序列分割为两个子序列，一个子序列的所有对象都不大于枢轴，一个都不小于枢轴。
然后便对这两序列重复上面的操作，依此类推，直至所有对象都被确定了位置，即序列有序。
2需求分析
本系统主要有三个功能：
产生随机关键字，记录排序与程序运行的时间和对关键字进行排序等工作。
2.1产生随机数
系统要求产生1000个以上的数据，故采用随机函数rand来实现，在主函数头文件中包含time.h和stdlib.h。
系统中采用srand函数来对随机函数rand进行初始化，产生的随机数用一维数组来存储。
2.2输出执行时间
本实验要求比较两种交换排序的优劣，其主要评判标准（空间复杂度相差很小，只是快速排序比起泡排序多了一个枢轴暂寄单位元）是时间复杂度。
《数据结构》中理论的分析了它们排序所用时间，而此实验用具体数据论证。
需用到时间函数clock，用以返回程序执行到此处时的时刻，并定义几个clock_t类型的数据来存储，两者相减即为所用时间。
2.3对关键字排序
2.3.1起泡排序
对于n个关键字的起泡排序，共要进行n-1趟的排序，第i趟要对n-i+1个关键字进行排序，即key[0]到key[n-i]，可知共有两层循环。
在每一次的排序中，都定义一个临时变量temp，用以作为关键字交换时的临时存储单元。
2.3.2快速排序
快速排序中需要选取一个枢轴（pivot），枢轴不需要随着关键字移动，故可将它暂寄在key[0]，还需要定义两个指针low和high。
排序分两个函数实现，一个是递归形式的快速排序，另一个是一趟快速排序。
在对由枢轴分割的子序列进行排序时，依赖于前者对后者的调用来实现，后者完成具体的排序过程。
2.4数据结构
待排序关键字用一维数组存储
#defineN50000
intkey[N];
3程序（算法）设计分析
4.1起泡排序
对n个关键字进行排序，共要进行n-1趟，第i趟要对n-i+1个关键字进行排序。
在每一次的排序中，都定义一个临时变量temp，用以作为关键字交换时的临时存储单元。
用随机函数rand产生随机数，时间函数clock返回时刻，clock_t类型的数据记录时间。
#include
#include
#include
#defineN1000
voidmain（）
{
clock_tstart_1,start,finish_1,finish;//定义四个clock_t类型的数据，用以记录时刻
start=clock（）;//记录程序开始运行时刻
doubleduration_1,duration;/*用以记录时间*/
time_tt;
intkey[N],temp=0;
srand（unsignedint（time（&t）））;//初始化随机函数
for（inti=0;ikey[i]=rand（）%8001+1000;//向数组中输入N个1000~9000的随机数
start_1=clock（）;//记录起泡排序开始时刻
for（intj=0;jfor（intk=0;kif（key[k]>key[k+1]）
{
temp=key[k];
key[k]=key[k+1];
key[k+1]=temp;
}
finish_1=clock（）;//记录起泡排序结束时刻
printf（"现在输出排序后的关键字序列：
\n"）;
for（intd=0;dprintf（"%d",key[d]）;
printf（"\n-------------------------\n起泡排序所用时间:
"）;
duration_1=double（finish_1-start_1）/CLOCKS_PER_SEC;
printf（"%fs\n",duration_1）;
printf（"\n-------------------------\n整个程序运行所用时间:
"）;
finish=clock（）;//记录程序运行结束时刻
duration=double（finish-start）/CLOCKS_PER_SEC;
printf（"%fs\n",duration）;}
4.2快速排序
需要选取一个枢轴（pivot），枢轴不需移动，故将它暂寄在key[0]，另外定义两指针low和high。
排序分两个函数实现，一个是递归形式的快速排序，另一个是一趟快速排序。
在对由枢轴分割的子序列进行排序时，依赖于前者对后者的调用来实现，后者完成具体的排序过程。
用随机函数rand产生随机数，时间函数clock返回时刻，clock_t类型的数据记录时间。
#include
#include
#include
#defineN1000
/*------------进行一趟快速排序-------------*/
intpartition（intkey[],intlow,inthigh）
{
key[0]=key[low];//将枢轴暂寄于key[0]
intpivotkey=key[low];
while（low{
while（low=pivotkey）
--high;
key[low]=key[high];//将小于枢轴的元素移到低位
while（low++low;
key[high]=key[low];//将大于枢轴的元素移到高位
}
key[low]=key[0];
returnlow;//返回枢轴所在位置
}
/*------------递归形式的快速排序-----------*/
voidQsort（intkey[],intlow,inthigh）
{
if（low{
intpivotloc=partition（key,low,high）;//pivotloc是枢轴
Qsort（key,low,pivotloc-1）;//对低于枢轴的关键字进行递归排序
Qsort（key,pivotloc+1,high）;//对高于枢轴的关键字进行递归排序
}
}
/*-------------主函数main----------------*/
voidmain（）
{
clock_tstart,start_1,finish,finish_1;//定义四个clock_t类型的数据，用以记录时刻
start=clock（）;//记录程序开始运行时刻
doubleduration,duration_1;
intkey[N+1];
intlow=1,high=N;
time_tt;
srand（unsignedint（time（&t）））;//初始化随机函数
for（inti=1;ikey[i]=rand（）%8001+1000;//向数组中输入N个从1000~9000的随机数
start_1=clock（）;//记录快速排序开始时刻
Qsort（key,low,high）;
finish_1=clock（）;//记录快速排序结束时刻
printf（"现在输出排序后的关键字序列：
\n"）;
for（intj=1;jprintf（"%d",key[j]）;
printf（"\n------------------------------------------\n快速排序所用时间：
"）;
duration_1=double（finish_1-start_1）/CLOCKS_PER_SEC;
printf（"%fs\n",duration_1）;
printf（"\n------------------------------------------\n整个程序运行所用的时间：
"）;
finish=clock（）;//记录程序运行结束时刻
duration=double（finish-start）/CLOCKS_PER_SEC;
printf（"%fs\n",duration）;
}
4.3运行结果
声明：
由于在实验过程中10个以及1000个数据并不多，致使快速排序中排序的时间测不出来，因而将它设为50000个。
起泡排序结果
快速排序结果
4.4结果分析
在VS2010软件下，取N=50000个数，并各自运行10次，得到的数据如下：
起泡排序所用平均时间aver_time1:
10.297800s.
起泡排序整个程序执行所用平均时间B_aver_time:
16.862200s.
快速排序所用平均时间aver_time2：
0.012000s.
快速排序整个程序执行所用平均时间Q_aver_time：
6.621200s.
起泡排序时间占整个程序执行时间百分比：
aver_time1/B_aver_time=（10.2978/16.8622）*100%=61.07%.
快速排序时间占整个程序执行时间百分比：
aver_time2/Q_aver_time=（0.012/6.6212）*100%=0.18%.
快速排序对起泡排序效率的倍数：
aver_time1/aver_time2=10.2978/0.012=858.15.
由数据可发现：
起泡排序中，大部分的时间（占61.07%）都用在对关键字的排序上；而在快速排序中，只有很小部分的时间（只占0.18%）花在排序上，绝大部分时间都花在输出等其他方面。
另外，在同等条件下，快速排序的效率是起泡排序的858.15倍，将近900倍。
5有关技术的讨论
本程序由于所要排序的数较多，要用到随机函数，产生足够多的随机数；要比较两种交换排序的优劣，则要从时间复杂度方面考察，故引入时间函数，得到排序及程序执行的时间，以便比较。
6设计体会（结束语）
在设计本程序的过程中，对于排序算法有了更深入的了解，并能从时间复杂度和空间复杂度方面对算法的优劣进行判断，特别是设计过程中遇到的困难，让自己学到了很多。
参考文献
[1]《数据结构》（C语言版），严蔚敏，清华大学，2006年10月版。
[2]XX百科《随机函数》和《时间函数》。
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