Python排序算法详解及编程题实战34

Python作为一门简洁高效的编程语言，在数据处理方面拥有强大的优势。而排序作为数据处理中最基础也最重要的操作之一，掌握Python中的各种排序算法以及它们的应用场景至关重要。本文将深入探讨Python中的几种常用排序算法，并结合具体的编程题进行实战演练，帮助读者更好地理解和应用这些算法。

一、Python内置排序函数`sorted()`和`()`

Python提供了便捷的内置函数`sorted()`和`()`用于排序。`sorted()`函数创建一个新的已排序列表，而`()`方法则直接对原列表进行排序，并返回`None`。两者都支持`key`和`reverse`参数，`key`参数指定一个函数，用于从每个元素中提取用于比较的键，`reverse`参数指定是否反向排序。

示例：对一个列表按照元素长度排序```python
words = ['apple', 'banana', 'kiwi', 'orange']
sorted_words = sorted(words, key=len) # 使用len函数作为key
print(sorted_words) # 输出：['kiwi', 'apple', 'banana', 'orange']
(reverse=True) # 原地反向排序
print(words) # 输出：['orange', 'banana', 'apple', 'kiwi']
```

二、常见排序算法及其Python实现

除了内置函数，我们还可以自己实现各种排序算法，这有助于理解算法的原理和效率。以下介绍几种常见的排序算法：

1. 冒泡排序 (Bubble Sort)

冒泡排序是一种简单的排序算法，它重复地遍历要排序的列表，比较相邻的元素，并将它们按顺序排列。每一次遍历都会将最大的元素“冒泡”到列表的末尾。它的时间复杂度为O(n^2)，效率较低，不适合处理大量数据。```python
def bubble_sort(arr):
n = len(arr)
for i in range(n-1):
for j in range(n-i-1):
if arr[j] > arr[j+1]:
arr[j], arr[j+1] = arr[j+1], arr[j]
return arr
```

2. 选择排序 (Selection Sort)

选择排序也具有O(n^2)的时间复杂度。它在每一轮迭代中，找到未排序部分的最小元素，并将其与未排序部分的第一个元素交换位置。```python
def selection_sort(arr):
n = len(arr)
for i in range(n-1):
min_index = i
for j in range(i+1, n):
if arr[j] < arr[min_index]:
min_index = j
arr[i], arr[min_index] = arr[min_index], arr[i]
return arr
```

3. 插入排序 (Insertion Sort)

插入排序的时间复杂度也是O(n^2)，但它在处理部分有序的数据时效率较高。它将每个元素插入到已排序部分的正确位置。```python
def insertion_sort(arr):
for i in range(1, len(arr)):
key = arr[i]
j = i - 1
while j >= 0 and key < arr[j]:
arr[j + 1] = arr[j]
j -= 1
arr[j + 1] = key
return arr
```

4. 归并排序 (Merge Sort)

归并排序是一种基于分治思想的排序算法，时间复杂度为O(n log n)。它将列表递归地分成两半，直到每个子列表只有一个元素，然后将这些子列表合并成已排序的列表。```python
def merge_sort(arr):
if len(arr) > 1:
mid = len(arr)//2
L = arr[:mid]
R = arr[mid:]
merge_sort(L)
merge_sort(R)
i = j = k = 0
while i < len(L) and j < len(R):
if L[i] < R[j]:
arr[k] = L[i]
i += 1
else:
arr[k] = R[j]
j += 1
k += 1
while i < len(L):
arr[k] = L[i]
i += 1
k += 1
while j < len(R):
arr[k] = R[j]
j += 1
k += 1
return arr
```

三、编程题实战

例题1： 给定一个包含整数的列表，按照升序排序并输出。

可以使用`sorted()`函数或者上述任何一种排序算法来解决这个问题。例如，使用归并排序：```python
numbers = [5, 2, 9, 1, 5, 6]
sorted_numbers = merge_sort(numbers)
print(sorted_numbers) # 输出：[1, 2, 5, 5, 6, 9]
```

例题2： 给定一个包含字符串的列表，按照字符串长度升序排序，如果长度相同则按照字典序升序排序。

可以使用`sorted()`函数的`key`参数来解决这个问题：```python
words = ['apple', 'banana', 'kiwi', 'orange', 'pear']
sorted_words = sorted(words, key=lambda x: (len(x), x))
print(sorted_words) # 输出：['kiwi', 'pear', 'apple', 'orange', 'banana']
```

通过学习和实践这些排序算法，读者可以更好地理解排序的原理，并根据不同的数据特点和性能需求选择合适的算法，从而提高Python编程效率。

2025-04-02

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