Definition, Implementierung und Analyse der Zeitverbrauchseffizienz von acht gängigen Sortieralgorithmen in Python

#!usr/bin/env python
#encoding:utf-8
'''''
__Author__:沂水寒城
功能：八大排序算法
'''
import time
import random
time_dict={}
def time_deco(sort_func):
  '''''
  时间计算的装饰器函数,可用于计算函数执行时间
  '''
  def wrapper(num_list):
    start_time=time.time()
    res=sort_func(num_list)
    end_time=time.time()
    time_dict[str(sort_func)]=(end_time-start_time)*1000
    print '耗时为：',(end_time-start_time)*1000
    print '结果为：', res
  return wrapper
def random_nums_generator(max_value=1000, total_nums=20):
  '''''
  随机数列表生成器
  一些常用函数：
  random随机数生成
  random.random()用于生成一个0到1之间的随机数:0 <= n < 1.0；
  random.uniform(a, b)，用于生成一个指定范围内的随机符点数，两个参数其中一个是上限，一个是下限。min(a,b) <= n <= max(a,b)；
  randdom.randint(a, b), 用于生成一个指定范围内的整数，其中a是下限，b是上限： a<= n <= b；
  random.randrange(start, stop, step), 从指定范围内，按指定基数递增的集合获取一个随机数；
  random.choice(sequence), 从序列中获取一个随机元素；
  random.shuffle(x), 用于将一个列表中的元素打乱；
  random.sample(sequence, k), 从指定序列中随机获取指定长度的片断；
  &#39;&#39;&#39;
  num_list=[]
  for i in range(total_nums):
    num_list.append(random.randint(0,max_value))
  return num_list
#@time_deco
def Bubble_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  冒泡排序，时间复杂度O(n^2)，空间复杂度O(1)，是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  for i in range(len(num_list)):
    for j in range(i,len(num_list)):
      if num_list[i]>num_list[j]: #这里是升序排序
        num_list[i], num_list[j]=num_list[j], num_list[i]
  return num_list
#@time_deco
def Insert_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  直接插入排序，时间复杂度O(n^2)，空间复杂度O(1)，是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  for i in range(len(num_list)):
    for j in range(0,i):
      if num_list[i]<num_list[j]: #这里是升序排序,跟冒泡排序差别在于，冒泡是向后遍历，这个是向前遍历
        num_list[i], num_list[j]=num_list[j], num_list[i]
  return num_list
#@time_deco
def Select_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  选择排序，时间复杂度O(n^2)，空间复杂度O(1)，不是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  for i in range(len(num_list)):
    min_value_index=i
    for j in range(i, len(num_list)):
      if num_list[j]<num_list[min_value_index]:
        min_value_index=j #乍一看，感觉冒泡，选择，插入都很像，选择跟冒泡的区别在于：冒泡是发现大
                 #小数目顺序不对就交换，而选择排序是一轮遍历结束后选出最小值才交换，效率更高
    num_list[i], num_list[min_value_index]=num_list[min_value_index], num_list[i]
  return num_list
#@time_deco
def Merge_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  归并排序，时间复杂度O(nlog₂n)，空间复杂度：O(1)，是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  if len(num_list)==1:
    return num_list
  length=len(num_list)/2
  list1=num_list[:length]
  list2=num_list[length:]
  result_list=[]
  while len(list1) and len(list2):
    if list1[0]<=list2[0]:
      result_list.append(list1[0])
      del list1[0] #这里需要删除列表中已经被加入到加过列表中的元素，否则最后比较完后列表
    else:       #中剩余元素无法添加
      result_list.append(list2[0])
      del list1[0]
  if len(list1): #遍历比较完毕后列表中剩余元素的添加
    result_list+=list1
  else:
    result_list+=list2
  return result_list
#@time_deco
def Shell_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  希尔排序，时间复杂度：O(n)，空间复杂度：O(n^2),不是稳定排序算法
  &#39;&#39;&#39;
  new_list = []
  for one_num in num_list:
    new_list.append(one_num)
  count=len(new_list)
  step=count/2;
  while step>0:
    i=0
    while i<count:
      j=i+step
      while j<count:
        t=new_list.pop(j)
        k=j-step
        while k>=0:
          if t>=new_list[k]:
            new_list.insert(k+1, t)
            break
          k=k-step
        if k<0:
          new_list.insert(0, t)
        #print &#39;---------本轮结果为：--------&#39;
        #print new_list
        j=j+step
        #print j
      i=i+1
      #print i
    step=step/2   #希尔排序是一个更新步长的算法
  return new_list
#@time_deco
def Tong_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  桶排序，时间复杂度O(1)，空间复杂度与最大数字有关，可以认为是O(n)，典型的空间换时间的做法
  &#39;&#39;&#39;
  original_list = []
  total_num=max(num_list) #获取桶的个数
  for i in range(total_num+1): #要注意这里需要的数组元素个数总数比total_num数多一个因为下标从0开始
    original_list.append(0)
  for num in num_list:
    original_list[num] += 1
  result_list = []
  for j in range(len(original_list)):
    if original_list[j] != 0:
      for h in range(0,original_list[j]):
        result_list.append(j)
  return result_list
def Quick_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  快速排序，时间复杂度：O(nlog₂n)，空间复杂度：O(nlog₂n)，不是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  if len(num_list)<2:
    return num_list
  left_list = [] #存放比基准结点小的元素
  right_list = [] #存放比基准元素大的元素
  base_node = num_list.pop(0) #在这里采用pop()方法的原因就是需要移除这个基准结点，并且赋值给base_node这个变量
                #在这里不能使用del()方法，因为删除之后无法再赋值给其他变量使用，导致最终数据缺失
                #快排每轮可以确定一个元素的位置，之后递归地对两边的元素进行排序
  for one_num in num_list:
    if one_num < base_node:
      left_list.append(one_num)
    else:
      right_list.append(one_num)
  return Quick_sort(left_list) + [base_node] + Quick_sort(right_list)
def Heap_adjust(num_list, i, size):
  left_child = 2*i+1
  right_child = 2*i+2
  max_temp = i
  #print left_child, right_child, max_temp
  if left_child<size and num_list[left_child]>num_list[max_temp]:
    max_temp = left_child
  if right_child<size and num_list[right_child]>num_list[max_temp]:
    max_temp = right_child
  if max_temp != i:
    num_list[i], num_list[max_temp] = num_list[max_temp], num_list[i]
    Heap_adjust(num_list, max_temp, size) #避免调整之后以max为父节点的子树不是堆
def Create_heap(num_list, size):
  a = size/2-1
  for i in range(a, -1, -1):
    #print &#39;**********&#39;, i
    Heap_adjust(num_list, i, size)
#@time_deco
def Heap_sort(num_list):
  &#39;&#39;&#39;&#39;&#39;
  堆排序，时间复杂度：O(nlog₂n)，空间复杂度：O(1)，不是稳定排序
  &#39;&#39;&#39;
  size=len(num_list)
  Create_heap(num_list, size)
  i = size-1
  while i > 0:
    num_list[0], num_list[i] = num_list[i], num_list[0]
    size -= 1
    i -= 1
    Heap_adjust(num_list, 0, size)
  return num_list
if __name__ == &#39;__main__&#39;:
  num_list=random_nums_generator(max_value=100, total_nums=50)
  print &#39;Bubble_sort&#39;, Bubble_sort(num_list)
  print &#39;Insert_sort&#39;, Insert_sort(num_list)
  print &#39;Select_sort&#39;, Select_sort(num_list)
  print &#39;Merge_sort&#39;, Merge_sort(num_list)
  print &#39;Shell_sort&#39;, Shell_sort(num_list)
  print &#39;Tong_sort&#39;, Tong_sort(num_list)
  print &#39;Heap_sort&#39;, Heap_sort(num_list)
  print &#39;Quick_sort&#39;, Quick_sort(num_list)
  # print &#39;-----------------------------------------------------------------------------&#39;
  # for k,v in time_dict.items():
  #   print k, v