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2023-03-25 18:41:22 +08:00
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## 算法流程
1. 第 1 轮先选取数组的 **第 2 个元素**`base` 执行插入操作」后,**数组前 2 个元素已完成排序**。
2. 第 2 轮选取 **第 3 个元素**`base` ,执行「插入操作」后,**数组前 3 个元素已完成排序**。
3. 以此类推……最后一轮选取 **数组尾元素**`base` ,执行插入操作后,**所有元素已完成排序**。
循环执行插入操作
1. 先选取数组的 **第 2 个元素**`base` ,执行插入操作后,**数组前 2 个元素已完成排序**。
2. 选取 **第 3 个元素**`base` ,执行插入操作后,**数组前 3 个元素已完成排序**。
3. 以此类推……最后一轮选取 **数组尾元素**`base` ,执行插入操作后,**所有元素已完成排序**。
![插入排序流程](insertion_sort.assets/insertion_sort_overview.png)
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## 算法特性
**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。
**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。输入数组完全有序下,达到最佳时间复杂度 $O(n)$ ,因此是“自适应排序”。
**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间。
**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间,因此是“原地排序”
**原地排序**:指针变量仅使用常数大小额外空间
**稳定排序**:不交换相等元素。
**自适应排序**:最佳情况下,时间复杂度为 $O(n)$ 。
在插入操作中,我们会将元素插入到相等元素的右边,不会改变它们的次序,因此是“稳定排序”
## 插入排序 vs 冒泡排序
!!! question
回顾「冒泡排序」和「插入排序」的复杂度分析,两者的循环轮数都是 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 。但不同的是:
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?
- 冒泡操作基于 **元素交换** 实现,需要借助一个临时变量实现,共 3 个单元操作;
- 插入操作基于 **元素赋值** 实现,只需 1 个单元操作;
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。
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:
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,因此更受欢迎。实际上,许多编程语言(例如 Java)的内置排序函数都使用到了插入排序,大致思路为:
- 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 $O(n \log n)$
- 对于 **短数组**,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 $O(n^2)$ ;
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。
**在数据量较小时插入排序更快**,这是因为复杂度中的常数项(即每轮中的单元操作数量)占主导作用。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况类似。