Алгоритми сортування в С/С++/C# - що треба знати початківцю

Що таке алгоритми сортування та навіщо вони потрібні?

Алгоритми сортування - це способи організації елементів у списку або масиві за певним порядком, наприклад, від меншого до більшого. Вони потрібні для того, щоб легше шукати, зчитувати та обробляти дані. Коли дані впорядковані, робота з ними стає ефективнішою і швидше виконується. Алгоритми сортування допомагають у більш організованому та швидкому доступі до інформації в програмах.

Головною складністю є те, що ці алгоритми мають бути одночасно швидкими та ефективними в виконанні комп'ютером (адже вони можуть виконуватися в програмі багаторазово та для дуже великих об'ємів даних) та бути зрозумілими та лаконічними для розробника - часто над одним кодом може працювати декілька людей, тож код має бути добре читабельним. На щастя, програміст не мусить кожного разу придумувати нове вирішення проблеми - в більшості випадків це вже давно розібрали та придумали інші. А наше завдання - адаптувати це для своїх вимог та правильно використовувати.

Початкові кроки вивчення С++

Перш ніж зануритися в алгоритми сортування, важливо засвоїти основи мови програмування С++ - типи даних, масиви(одно- та багатовимірні), власні функції та класи. Ресурси, які можуть бути корисними для новачків, включають "Programming Principles and Practice Using C++" від Bjarne Stroustrup та інтерактивні онлайн-курси, такі як ті, що пропонують Codecademy чи Coursera. Також від себе можу порекомендувати ресурс Metanit - там доступно пояснюються всі основи багатьох популярних мов програмування з прикладами.

Алгоритми сортування: Знайомство з Основами

Тут ми розглянемо 2 найбільш розповсюджені алгоритми сортування, що дуже часто використовуються, адже поєднують в собі всі вище описані критерії.

1. Бульбашкове сортування (Bubble Sort)

Бульбашкове сортування - це простий алгоритм, що базується на порівнянні сусідніх елементів і їх обміні в разі потреби. Природа цього алгоритму дозволяє легко зрозуміти основні концепції сортування.

А тепер - крок за кроком:

Крок 1: Розглянемо масив чисел, які потрібно відсортувати. На початку алгоритму ми припускаємо, що весь масив є невідсортованим.

Крок 2: Спочатку ми порівнюємо перший та другий елементи масиву. Якщо перший елемент більший за другий, то ми їх обмінюємо. Якщо ні, ми залишаємо їх на місці.

Крок 3: Після першого проходження найбільший елемент вже знаходиться на останньому місці масиву. Тепер ми переходимо до наступної пари елементів і повторюємо той самий процес.

Крок 4: Ми продовжуємо цей процес до тих пір, поки весь масив не стане відсортованим.

Для розуміння - розберемо кожний рядок цього коду:

1. void bubbleSort(int arr[], int n): Це оголошення функції сортування, яка приймає масив arr та його розмір n.

2. for (int i = 0; i < n-1; i++): Перший цикл ітерується від 0 до n-1. Кожен прохід цього циклу визначає місце для найбільшого елемента.

3. for (int j = 0; j < n-i-1; j++): Другий цикл ітерується від 0 до n-i-1. Кожен прохід цього циклу порівнює пари сусідніх елементів і обмінює їх, якщо потрібно.

4. if (arr[j] > arr[j+1]) swap(arr[j], arr[j+1]);: Умова, що порівнює два елементи і обмінює їх, якщо перший більший за другий.

І на останок - запам'ятаємо на асоціаціях:

1. Виробництво Бульбашок:

   • Кожна ітерація по масиву - це новий продукт, бульбашка з числом.

2. Перевірка Якості:

   • Внутрішній цикл - це етап контролю якості, де кожну бульбашку перевіряють на відповідність стандартам.

3. Порівняння та Обмін:

   • Умова if (arr[j] > arr[j+1]) - це, якщо бульбашка (число) більша за наступну, то їх обмінюють.

2. Вибіркове сортування

Вибіркове сортування працює шляхом вибору мінімального елемента з невідсортованої частини масиву та його обміну з першим елементом цієї частини.

Розберемо роботу алгоритму крок за кроком:

1. Обираємо Перший Елемент (Книгу):

   • Цикл for (int i = 0; i < n-1; i++) представляє вибір першого елемента (книги) в масиві.

2. Мітка Елемента З Мінімальним Значенням (Мітка Книги З Найменшим Номером):

   • int minIndex = i; - створюємо мітку на обраному елементі (книзі), яку вважаємо на даний момент елементом з найменшим значенням (номером).

3. Перегляд Інших Елементів (Книг):

   • Цикл for (int j = i+1; j < n; j++) представляє перегляд інших елементів (книг) в масиві.

4. Порівняння та Позначення Найменшого Елемента (Книги):

   • Умова if (arr[j] < arr[minIndex]) порівнює номери книг і оновлює minIndex, якщо потрібно.

5. Обмін Елементів (Обмін Книг):

   • swap(arr[minIndex], arr[i]); - обмінюємо місцями обрану книгу з книгою, яку вважаємо найменшою на даний момент.

6. Повторення Для Інших Елементів:

   • Весь цей процес повторюється для кожного іншого елемента (книги) в масиві.

7. Завершення Сортування:

   • Після завершення всіх ітерацій, масив відсортований.

Як уявити роботу цього алгоритму на практиці? 

Уявімо, що це сортування - це процес вибору книги з найменшим номером для оформлення на книжковій полиці вашої бібліотеки. Кожна ітерація циклу - це ваш перегляд ряду книг, і ви обираєте книгу з найменшим номером, щоб розмістити її на першому місці. Цей процес повторюється, поки весь ряд книг не буде впорядкований.

Головна Різниця:

1. Бульбашкове сортування:

   • Сутність: Бульбашкове сортування порівнює сусідні елементи та обмінює їх, якщо вони не відсортовані. Продовжується цей процес до тих пір, поки весь масив не відсортований.
   • Часова складність: O(n^2) - квадратична.
   • Простота: Простий для реалізації, але неефективний для великої кількості елементів.

2. Вибіркове сортування:

   • Сутність: Вибіркове сортування обирає найменший (або найбільший) елемент і розміщує його на відповідному місці. Повторює цей процес для всіх елементів.
   • Часова складність: O(n^2) - квадратична.
   • Ефективність: Також не найефективніший для великих масивів, але трошки ефективніший за бульбашкове сортування.

Коли використовувати:

1. Бульбашкове сортування:

   • Масиви з невеликою кількістю елементів.
   • Випадки, коли вам потрібно простий алгоритм для освоєння основ сортування.

2. Вибіркове сортування:

   • Масиви, які не дуже великі.
   • Якщо потрібно мінімізувати кількість обмінів (swap) елементів у порівнянні з іншими алгоритмами сортування.

Вибір між двома:

Якщо потрібно обрати між цими двома алгоритмами, частіше вибирають вибіркове сортування, особливо в тих випадках, коли кількість обмінів (swap) елементів важлива. Обидва алгоритми є неефективними для великих масивів, тому в реальних застосуваннях рекомендується розглядати більш продуктивні алгоритми сортування, такі як швидке сортування (QuickSort) чи сортування злиттям (MergeSort).

Розвиток та поглиблення знань

Як тільки ви оволодієте базовими алгоритмами сортування, рекомендується розглядати більш складні методи, такі як швидке сортування чи злиттєве сортування. Практика, написання власного коду та розв'язання завдань допоможуть вам зрозуміти суть алгоритмів та покращити ваші навички програмування.

Заключні думки

Вивчення алгоритмів сортування у мові програмування С++ - це ключовий крок для будь-якого студента програмування. Це відкриває двері до розуміння більш складних концепцій і є необхідним етапом на шляху до становлення висококваліфікованим програмістом. Пам'ятайте, що найкращий спосіб вивчити програмування - це практика, тому пишіть код, експериментуйте та насолоджуйтеся процесом творення програм. Удачі вам на цьому захоплюючому шляху саморозвитку!