Java实现三大经典排序算法与二分查找详解

在编程学习中，排序算法与查找算法是每个开发者必须掌握的基础知识。本文将通过Java代码实现冒泡排序、选择排序、快速排序（内置）三种经典算法，并手写二分查找，最后进行综合应用演示。

一、算法实现与解析

1. 冒泡排序：相邻元素两两比较

// 冒泡排序优化版（添加交换标志位）
public static void bubbleSort(int[] arr) {
    boolean swapped;
    for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {
        swapped = false;
        for (int j = 0; j < arr.length-i-1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j+1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = temp;
                swapped = true;
            }
        }
        if (!swapped) break; // 提前终止已有序的情况
    }
}

`

算法特点：

• 时间复杂度：O(n²)（最坏情况）

• 空间复杂度：O(1)

• 稳定排序算法

• 优化后对已有序数组效率提升明显

2. 选择排序：定位最小元素

// 改进版选择排序（减少交换次数）
public static void selectionSort(int[] arr) {
    for (int i = 0; i < arr.length-1; i++) {
        int minIndex = i;
        for (int j = i+1; j < arr.length; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        if (minIndex != i) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[minIndex];
            arr[minIndex] = temp;
        }
    }
}

算法特点：

• 时间复杂度：O(n²)

• 空间复杂度：O(1)

• 不稳定排序算法

• 交换次数比冒泡排序少

3. 二分查找：高效搜索利器

public static int binarySearch(int target, int[] sortedArr) {
    int left = 0;
    int right = sortedArr.length - 1;
    
    while (left <= right) {
        int mid = left + (right - left) / 2; // 防止整数溢出
        if (sortedArr[mid] == target) {
            return mid;
        } else if (sortedArr[mid] < target) {
            left = mid + 1;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    return -1; // 未找到标识
}

使用条件：

• 必须是有序数组

• 时间复杂度：O(log n)

二、综合应用示例

public static void main(String[] args) {
    int[] data = {10, 24, 3, 45, 5, 1};
    
    // 冒泡排序演示
    int[] bubbleData = Arrays.copyOf(data, data.length);
    bubbleSort(bubbleData);
    System.out.println("冒泡排序结果：" + Arrays.toString(bubbleData));

    // 选择排序演示
    int[] selectData = Arrays.copyOf(data, data.length);
    selectionSort(selectData);
    System.out.println("选择排序结果：" + Arrays.toString(selectData));

    // 快速排序（内置）
    int[] quickData = Arrays.copyOf(data, data.length);
    Arrays.sort(quickData);
    System.out.println("快速排序结果：" + Arrays.toString(quickData));

    // 二分查找演示
    int target = 45;
    int index = binarySearch(target, quickData);
    System.out.printf("数字 %d 的位置：%s%n", 
        target, index >= 0 ? index : "未找到");
}

输出结果：

冒泡排序结果：[1, 3, 5, 10, 24, 45]
选择排序结果：[1, 3, 5, 10, 24, 45]
快速排序结果：[1, 3, 5, 10, 24, 45]
数字 45 的位置：5

三、算法对比与选择建议

算法	平均时间复杂度	空间复杂度	稳定性	适用场景
冒泡排序	O(n²)	O(1)	稳定	小规模数据、教学演示
选择排序	O(n²)	O(1)	不稳定	交换成本高的场景
快速排序	O(n log n)	O(log n)	不稳定	通用场景、大规模数据
二分查找	O(log n)	O(1)	-	有序数据快速检索

开发建议：

1. 实际开发中优先使用Arrays.sort()，其采用优化后的Timsort算法

2. 二分查找需确保数组已排序

3. 理解算法原理比死记代码更重要

四、学习心得

通过手写这些经典算法，可以加深对以下编程思想的理解：

1. 分治思想：快速排序的划分过程

2. 减治思想：二分查找的区间缩小策略

3. 空间换时间：不同算法的时间/空间权衡

建议读者可以尝试以下扩展练习：

• 实现降序排序版本

• 添加可视化排序过程

• 实现递归版二分查找

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本文代码已通过测试，可直接复制到IDE中运行。如果觉得有帮助，欢迎点赞收藏关注三连，有任何问题欢迎在评论区交流讨论！