C++ Sort函数详解

C++ Sort函数详解

前言：sort函数是algorithm库下的一个函数，sort函数是不稳定的，即大小相同的元素在排序后相对顺序可能发生改变，如果某些场景需要保持相同元素间的相对顺序，可使用stable_sort函数，这里不过多介绍。

一、sort函数调用的两种方式

方式一(默认)	void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);
方式二(自定义)	void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);

默认: 两个参数first,last，将[first, last)区间内元素升序排列。【注意区间为左闭右开】
自定义排序: 需用户指定排序规则Compare comp,将 [first, last)区间内的元素按照用户指定的顺序排列。

二、sort函数使用场景

由于在排序过程中涉及到元素交换等操作，所以sort函数仅支持可随机访问的容器，如数组， string、vector、deque等。

三、sort函数排序原理

sort()并非只是普通的快速排序，除了对普通的快速排序进行优化，它还结合了插入排序和堆排序。根据不同的数量级别以及不同情况，能自动选用合适的排序方法。当数据量较大时采用快速排序，分段递归。一旦分段后的数据量小于某个阀值，为避免递归调用带来过大的额外负荷，便会改用插入排序。而如果递归层次过深，有出现最坏情况的倾向，还会改用堆排序。

所以无论元素初始时为何种状态，sort()的平均排序复杂度为均为O(N*log2(N)) ，具有不错的的性能，在刷算法题时，可以直接使用sort()来对数据进行排序，而不需手动编写排序函数。

四、sort函数使用案例

1.升序排列

sort函数如果不传入第三个参数，则默认是升序排列。

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

int main() {
    // 方式一、使用数组
    int a[10] = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(a, a + 10);  // 10为元素个数

    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << a[i] << ' ';		// 输出排序后数组
    cout << endl;

    // 方式二、使用 vector
    vector<int> arr = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(arr.begin(), arr.end());  // 10为元素个数
    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << arr[i] << ' ';	// 输出排序后数组

    return 0;
}

2.降序排列

实现方式1

实现降序排列，需传入第三个参数–比较函数，greater<type>()，这里的元素为int 类型，即函数为 greater<int>(); 如果是其他基本数据类型如float、double、long等也是同理。

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

int main() {
    // 方式一、使用数组
    int a[10] = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(a, a + 10, greater<int>());  // 10为元素个数

    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << a[i] << ' ';		// 输出排序后数组
    cout << endl;	// 输出 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 

    // 方式二、使用 vector
    vector<int> arr = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(arr.begin(), arr.end(), greater<int>()); 
    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << arr[i] << ' ';	// 输出排序后数组

    return 0;
}

实现方式2

我们也可以使用自定义的比较函数，函数的返回值为bool类型，例如

bool cmp(int num1, int num2) {
    return num1 > num2;     // 可以简单理解为 > 降序排列;  <  升序排列
}

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

bool cmp(int num1, int num2) {
    return num1 > num2;     // 可以简单理解为 >： 降序排列;  < ： 升序排列
}

int main() {
    // 一、使用数组
    int a[10] = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(a, a + 10, cmp);  // 使用自定义排序函数

    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << a[i] << ' ';		// 输出排序后数组
    cout << endl;	// 输出 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 

    // 二、使用 vector
    vector<int> arr = {9, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1, 0};
    sort(arr.begin(), arr.end(), cmp);   // 使用自定义排序函数
    for (int i = 0; i < 10; i++) cout << arr[i] << ' ';	// 输出排序后数组

    return 0;
}

3.结构体排序(自定义比较函数)

要对元素进行排序，前提是元素之间可以进行比较，即谁大谁小。基本数据类型可直接进行大小比较，但结构体元素之间的大小关系需要我们自己指定，如果不指定，则结构体之间大小关系就不确定，则不能够排序。

结构体排序案例1: 对学生信息进行排序

学生有姓名，分数两个属性,

struct Student {    // 学生结构体
    string name;    // 学生姓名
    int grade;      // 学生分数
    Student();  // 无参数构造函数
    Student(string name, int grade) : name(name), grade(grade) {};  // 有参数构造函数
};

需求： 对一个班级内的学生成绩进行排序，首先按成绩进行排序降序排列，若成绩相同，则按照姓名字典顺序升序排列。

自定义排序函数

bool cmp(Student s1, Student s2) {  // 自定义排序
    if (s1.grade != s2.grade) {     // 如果学生成绩不相同
        return s1.grade > s2.grade; // 则按照成绩降序排列
    }
    return s1.name < s2.name;   // 否则按照姓名升序排列
}

排序代码

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

struct Student {    // 学生结构体
    string name;    // 学生姓名
    int grade;      // 学生分数
    Student();  // 无参数构造函数
    Student(string name, int grade) : name(name), grade(grade) {};  // 有参数构造函数
};

bool cmp(Student s1, Student s2) {  // 自定义排序
    if (s1.grade != s2.grade) {     // 如果学生成绩不同
        return s1.grade > s2.grade; // 则按照成绩降序排列
    }
    return s1.name < s2.name;   // 否则按照姓名升序排列
}

int main() {
    vector<Student> studs;
    studs.emplace_back("Bob", 80);
    studs.emplace_back("Ali", 90);
    studs.emplace_back("Ann", 85);
    studs.emplace_back("Liming", 90);
    studs.emplace_back("Trump", 79);
    studs.emplace_back("Fury", 58);
    studs.emplace_back("Jam", 62);
    studs.emplace_back("Lucy", 89);

    sort(studs.begin(), studs.end(), cmp);  // 排序
    for (int i = 0; i < studs.size(); i++) {    // 输出结果
        cout << studs[i].name << "\t" << studs[i].grade << endl;
    }
    return 0;
}

五、自定义comp函数返回true或false作用

bool cmp(int num1, int num2) {	// 实现降序排列
    return num1 > num2;	// num1大于num2时返回true，否则返回false
}

自定义函数返回值为bool类型

若返回true，则表示num1 与num2应该交换顺序；
若返回false, 则num1 与num2 保持原有顺序；

下面举例说明自定义比较函数的执行过程。

对 2, 5, 1, 3, 4 降序排列
调用cmp函数时，将5赋值给num1, 2赋值给num2 (注意顺序)
5 > 2, 返回true，num1 与 num2需进行交换；即5应该在2的前面
数组变为  5, 2, 1, 3, 4

第二次 将3赋值给num1, 1赋值给num2，
3 > 1, 返回true，num1 与 num2需进行交换；即3应该在1的前面
数组变为  5, 2, 3, 1, 4

之后经过数次的比较与交换最终排序完成。
最终得到 5 4 3 2 1

六、补充：匿名函数写法

有时自定义的排序函数比较简单，可以使用匿名函数的形式，这样会使代码更加简洁。

1.语法

在 C++ 中，匿名函数通常被称为 “lambda 表达式”。基本的 lambda 表达式语法如下：

[capture](parameters) -> return_type { function_body }

capture：捕获列表，定义了哪些外部变量能在 lambda 表达式中使用，以及是通过值还是引用使用它们。
parameters：参数列表，类似于普通函数的参数列表。
return_type：返回类型，如果函数体只包含一个 return 语句，编译器可以自动推导返回类型，此时可以省略。
function_body：函数体，包含了 lambda 表达式需要执行的代码。

一些细节:

当parameters为空的时候，()可以被省去，当body只有return或返回为void，那么”->return-type“可以被省去。
capture：

[]        // 未定义变量.试图在Lambda内使用任何外部变量都是错误的.
[x, &y]   // x 按值捕获, y 按引用捕获.
[&]       // 用到的任何外部变量都隐式按引用捕获
[=]       // 用到的任何外部变量都隐式按值捕获
[&, x]    // x显式地按值捕获. 其它变量按引用捕获
[=, &z]   // z按引用捕获. 其它变量按值捕获

案例1，简单的 lambda 表达式

auto sum = [](int a, int b) { return a + b; };
cout << sum(1, 2);  // 输出：3

例中，lambda 表达式定义了一个接受两个 int 参数的函数，并返回它们的和。这个 lambda 表达式被赋值给了 sum 变量，然后我们调用 sum(1, 2) 来计算 1 + 2 的结果。

案例2，展示了如何在 lambda 表达式中捕获外部变量：

int factor = 2;
auto multiply = [factor](int a) { return a * factor; };
cout << multiply(3);  // 输出：6

例中，lambda 表达式捕获了外部变量 factor，并在函数体中使用它。请注意，因为 factor 是通过值捕获的，所以如果后面修改了 factor 的值，不会影响 multiply 的行为。

2. sort函数使用匿名函数

案例1

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
	vector<int> v(5);
	for (int i = 0; i < 5; i++) cin >> i;	// 使用匿名函数, 减少代码量
	sort(v.begin(), v.end(), [](int a, int b) {
	    return a > b;   // 降序排列
	});  
	for (int num : v) cout << num << endl;
	return 0;
}

案例2, 对上面学生排序使用匿名函数

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

struct Student {    // 学生结构体
    string name;    // 学生姓名
    int grade;      // 学生分数
    Student();      // 无参数构造函数
    Student(string name, int grade) : name(name), grade(grade) {};  // 有参数构造函数
};

int main() {
    vector<Student> studs;
    studs.emplace_back("Bob", 80);
    studs.emplace_back("Ali", 90);
    studs.emplace_back("Ann", 85);
    studs.emplace_back("Liming", 90);
    studs.emplace_back("Trump", 79);
    studs.emplace_back("Fury", 58);
    studs.emplace_back("Jam", 62);
    studs.emplace_back("Lucy", 89);

    sort(studs.begin(), studs.end(), [](Student s1, Student s2) { 
        if (s1.grade != s2.grade) {     // 如果学生成绩不同
            return s1.grade > s2.grade; // 则按照成绩降序排列
        }
        return s1.name < s2.name;   // 否则按照姓名升序排列
    });
    for (int i = 0; i < studs.size(); i++) {    // 输出结果
        cout << studs[i].name << "\t" << studs[i].grade << endl;
    }
    return 0;
}

七、参考文章链接

https://www.cplusplus.com/reference/algorithm/sort/
https://blog.csdn.net/qq_41575507/article/details/105936466
胡凡算法笔记

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