• 【再识C进阶2(下)】详细介绍指针的进阶——利用冒泡排序算法模拟实现qsort函数，以及一下习题和指针笔试题

    前言

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    学习目标：

           在上一篇博客中，我们学习了回调函数，以及怎么使用qsort函数去排序；那么在这一篇博客中，我们来更加详细地学习qsort函数内部是怎么进行排序的，以及想要用冒泡排序去模拟实现一下可以排序任意类型数据，最后我们要进行做题来巩固一下所学的知识点。

    学习内容：

    通过上面的学习目标，我们可以列出要学习的内容：

    1. 学习qsort函数内部是怎么进行排序的
    2. 用冒泡排序去模拟实现一下可以排序任意类型数据
    3. 做题巩固一下知识点
    4. 指针的笔试题

    一、学习qsort函数内部是怎么进行排序的

           在学习qsort函数内部是如何实现的，我们需要在认真地将qsort函数的形参进行一遍分析，因为其形参的个数实在是太多了，这就和数学公式一样，要记住每一个字母表示的含义，这样我们才能用的对。 

    1.1 qsort函数中的四个参数的意思

            这时，我们需要打开cplusplus的网站，进行搜索qsort函数，如下图所示：接下来一一分析：

    1.1.1 void* base

           首先，映入我们眼帘的是其类型：void* 。

    这个类型还是很重要的，void* 类型要记住一些要点：

    1. void* 创建的变量可以接收任意类型的指针变量；
    2. void* 创建的变量不能进行加减整数的运算，因为不知道类型，无法确定加减整数后，指针移动几位字节。

    之后，这个参数存放的是待排序数组的第一个元素的地址。

    1.1.2  size_t num

           这个形参的类型可能读者也没有见过，简单地理解其就是无符号整形。我们在VS转到定义时，可以看到是用 typedef 定义的，如下图：

    这个参数存放的是待排序数组的元素个数。

    1.1.3 size_t size

           因为qsort函数可以排序任意类型的数据，但是任意类型数据的大小是不同，我们需要将我们所要排序的数据类型传过去，让qsort函数知道数据的大小，好进行排序。

    这个参数存放的是待排序数组中一个元素的大小。

    1.1.4 int (*comper) (const void*, const void*)

           这个参数就是我们上一篇博客所学习的函数指针，qsort函数需要我们自己写一个比较函数，因为qsort函数默认是升序排序的，这个要知道，不然容易迷。

           这个比较函数所返回的值与0进行比较，会产生不同的结果，如果大于0即成立，交换两个数，如果小于0即不成立，不交换。如下图：（如果图里的情况看不懂，我们可以看下面的代码）

    1. int compare(const void* e1, const void* e2)
    2. {
    3. 	int* p1 = e1;
    4. 	int* p2 = e2;
    5. 	if (*p1 > *p2)
    6. 	{
    7. 		return 1;
    8. 	}
    9. 	else if (*p1 == *p2)
    10. 	{
    11. 		return 0;
    12. 	}
    13. 	else if (*p1 < *p2)
    14. 	{
    15. 		return -1;
    16. 	}
    17. }

     这个参数的含义是：函数指针——cmp指向了一个函数，这个函数是用来比较两个元素的。

    1.2 引出qsort函数内部算法的思想

           qsort函数内部是用快速算法进行实现，因为我的算法博客也更新到这一篇，我就直接在这一篇上写了，快速算法肯定不同于我们之前所学的归并排序和堆排序，我们先用一个简单的题目引出类似于快速排序算法的思路。

    1.2.1 将数组分为两个区域的问题

           在讲述荷兰国旗问题之前，我们先来看一个更简单的题，来帮助我们进入荷兰国旗问题的思路。 

    题目：

           给定一个数组arr，和一个数num，请把数组中小于等于num的数放在数组的左边，把数组中大于num的数放在数组的右边，无需排序。要求空间复杂度为：O(1)，时间复杂度为：O(N)

    思路：

           我们可以将数组分为两个区：一个是<=num区，一个是>num区。我们可以先将<=num区放在数组首元素的前一个位置，将指针指向数组中第一个元素与num进行比较。

           如果第一个元素比num小于或者等于，<=num区往前加一，将指针加一，继续与num进行比较；

           如果指针指向的元素比num大，<=num区不动，指针向后移动，直到比num小停止，将这个数与<=num区的后面一个数进行交换即可。循环整个过程，直到指针指向空。

    代码：

    1. void swap(int arr[], int a, int b)
    2. {
    3. 	int temp = arr[a];
    4. 	arr[a] = arr[b];
    5. 	arr[b] = temp;
    6. }
    7.  
    8. void prather(int* arr, int left, int right, int num)
    9. {
    10. 	int less = left - 1;
    11. 	int index = left;
    12. 	while (index <= right)
    13. 	{
    14. 		if (arr[index] <= num)
    15. 		{
    16. 			swap(arr, ++less, index++);
    17. 		}
    18. 		else
    19. 		{
    20. 			index++;
    21. 		}
    22. 	}
    23. }
    24.  
    25. int main()
    26. {
    27. 	int arr[10] = { 2,3,6,3,4,7,9,0,2,3 };
    28. 	int left = 0;
    29. 	int right = 9;
    30. 	int num = 3;
    31. 	prather(arr, left, right, num);
    32. 	for (int i = 0; i < 10; i++)
    33. 	{
    34. 		printf("%d ", arr[i]);
    35. 	}
    36. 	return 0;
    37. }

           这个问题的关键主要就是将数组分为两个部分，而荷兰国旗问题是将数组分为三个部分，是属于其的进阶。 将数组分为两个区域，我们用了一个作用界限；而将数组分为三个区域是否需要两个作用界限呢？

    1.2.2 荷兰国旗问题

    题目：

           牛牛今天带来了一排气球，气球有n个，然后每一个气球里面都包含一个数字，牛牛是一个善于思考的人,于是他就想到了一个问题，牛牛随便给你一个值K，这个值在这些气球中不一定存在，聪明的你需要把气球中包含的数字是小于K的放到这排气球的左边，大于K的放到气球的右边，等于K的放到这排气球的中间，最终返回一个整数数组，其中只有两个值，分别是气球中包含的数字等于K的部分的左右两个下标值,如果气球中没有K这个数字就输出-1，-1。

    思路：

           这个就相当于将一个数组通过所给的数字分为三个区：一个是，一个是==num区，一个是>num区。我们需要将num区同时卡住，这样剩下就是==num区的内容，于是思路就有了。

           定义两个指针变量，一个指针变量 less 指向数组首元素的前一个位置，一个指针变量 more 指向数组最后一个元素的后一个位置，用一个索引index指向数组的首元素。

           如果index指向的元素小于num，则less++，交换less++的元素与index指向的元素，然后index++；

           如果index指向的数组元素等于num，则index++；

           如果index指向的元素大于num，则交换index与more--的元素，index不++。

    代码：

    1. #include 
    2. #include 
    3. void swap(int arr[], int a, int b) {
    4.     int temp = arr[a];
    5.     arr[a] = arr[b];
    6.     arr[b] = temp;
    7. }
    8.  
    9. void Nether(int arr[], int left, int right, int k) {
    10.     int less = left - 1;
    11.     int more = right + 1;
    12.     int index = left;
    13.     while (index < more) {
    14.         if (arr[index] < k)
    15.             swap(arr, ++less, index++);
    16.         else if (arr[index] > k)
    17.             swap(arr, --more, index);
    18.         else
    19.             index++;
    20.     }
    21.     if (less + 1 <= more - 1) {
    22.         int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);
    23.         ret[0] = less + 1;
    24.         ret[1] = more - 1;
    25.         for (int i = 0; i < 2; i++) {
    26.             printf("%d ", ret[i]);
    27.         }
    28.     }
    29.     else{
    30.         for(int i = 0; i < 2; i++)
    31.         {
    32.             printf("-1 ");
    33.         }
    34.     }
    35. }
    36.  
    37. int main() {
    38.     int n = 0, k = 0;
    39.     int arr[100010];
    40.     scanf("%d %d", &n, &k);
    41.     for (int i = 0; i < n; ++i) {
    42.         scanf("%d ", &arr[i]);
    43.     }
    44.     int left = 0;
    45.     int right = n - 1;
    46.     Nether(arr, left, right, k);
    47.     return 0;
    48. }

    1.3 qsort函数内部是怎么实现的

           在 1.2 中，学习了荷兰国旗问题的思路，其实qsort函数内部算法的实现是快速排序，而快速排序在发展中，有三个阶段：分别是快速排序 1.0，快速排序 2.0 和快速排序 3.0。

    1.3.1 快速排序 1.0

           在这个版本下，快速排序的思路与荷兰国旗问题的思路基本相同，不过不一样的地方是荷兰国旗问题比较的是随机给的数字，而快速排序比较的一定是数组中的数字。

           不买关子了，快速排序的算法思路是：将数组最后一个元素作为比较数，将数组分为：<=比较数区，>比较数区，这样就将最后一个元素排好序了，其数组下标记作p；将数组分为左右两个部分，利用递归再比较p-1和p+1的元素，将他们排好序，递归下去，就可以将数组中的元素排好序。

           但这个思路有一个比较明显的不足，不足之处在于数组中有连续相等的数字，但也会损失一下常数时间，所以在快速排序 2.0 版本下，将数组分为三个区：<比较数区，==比较数区，>比较数区。这样就能节省一些常数时间。       

    1.3.2 快速排序 2.0 

           在快速排序 1.0 中，已经提出了快速排序 2.0 的思路了，也就比快速排序 1.0优化了一下常数时间。不过这两种方式都不是最优的，如果我们考虑最差情况，在最差情况中，两者的时间复杂度接近于O(N*N)，与冒泡排序没什么两样，为什么呢？

           原因如下：因为如果数组元素中最后一个数排序过后不在中间的位置，那么时间复杂度就会增加，如果说如果每一次要排序元素在正中间的话是最好的情况！不过不太可能，所以在这两个版本下，时间复杂度都会增加。

    1.3.3 快速排序 3.0

           快速排序 3.0中，我们不同于以往将数组的最后一个元素进行比较，而是将随机匹配一个数组元素进行比较，根据概论发现，如果数组有N个元素，那么每一个元素被选中的概率是1/N。经过数学计算后，会发现这个排序的时间复杂度为：O(N*logN)，达到了我们的目的。

    1.3.4 快速排序的代码

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. void swap(int arr[], int a, int b) //交换函数
    5. {
    6. 	int temp = arr[a];
    7. 	arr[a] = arr[b];
    8. 	arr[b] = temp;
    9. }
    10. int* partion(int arr[], int left, int right); //函数声明，不要忘记
    11. void quicksort(int arr[], int left, int right)
    12. {
    13. 	if (left < right) //递归终止条件
    14. 	{
    15. 		//先随机选一个元素与数组中最后一个元素进行交换，然后进行partion
    16. 		int num = rand() % (right - left + 1); //产生0~sz的任意数字
    17. 		swap(arr, left + num, right);
    18. 		int* ans = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);
    19. 		ans = partion(arr, left, right);
    20. 		quicksort(arr, left, ans[0] - 1); //
    21. 		quicksort(arr, ans[1] + 1, right);//>arr[num]区
    22. 	}
    23. }
    24. int* partion(int arr[], int left, int right)
    25. {
    26. 	int less = left - 1;
    27. 	int more = right + 1;
    28. 	int index = left;
    29. 	int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);
    30. 	while (index < more)
    31. 	{
    32. 		if (arr[index] < arr[right])
    33. 		{
    34. 			swap(arr, ++less, index++);
    35. 		}
    36. 		else if (arr[index] > arr[right])
    37. 		{
    38. 			swap(arr, --more, index);
    39. 		}
    40. 		else
    41. 			index++;
    42. 	}
    43. 	ret[0] = less + 1;
    44. 	ret[1] = more - 1;
    45. 	return ret;
    46. }

    二、用冒泡排序去模拟实现一下可以排序任意类型数据

           在模拟实现冒泡排序前，先来熟悉一下冒泡排序的思想，记住，知识点要进行大量的重复记忆，这样才能会用。

    2.1 冒泡排序的思路

           冒泡排序，冒泡排序，就是让最大的数像重物一样沉到底部，两两进行比较，然后进行交换位置，这就是基本思路。

           第一次将最大的数字沉到底部，第二次将次大的数字沉到底部，第三次……是一个循环将最大数从大到小依次沉到底部，所以我们来实现一下代码：

    1. void bubble_sort(int arr[], int sz)
    2. {
    3. 	for (int i = 0; i < sz - 1; ++i)
    4. 	{
    5. 		for (int j = 0; j < sz - 1 - i; ++j)
    6. 		{
    7. 			if (arr[j] > arr[j + 1])
    8. 			{
    9. 				swap(arr, j, j + 1);
    10. 			}
    11. 		}
    12. 	}
    13. }

    2.2 模拟实现任何类型的冒泡排序

           而单一的冒泡排序用法实在是太少了，在学习了qsort函数之后，我们就是能将冒泡排序也改造为能够排任意类型的数据呢？那么接下来，我们就要朝着这个方向进行：

    2.2.1 实现任何类型的冒泡排序的主体

    2.2.1.1 参数部分

           因为不同类型的数据进行比较时，他们的比较方法是不同，如果我们想要比较不同类型的数据还要写不同的比较方法，这样函数就变多了，这样就不是一个函数了，所以我们将这个比较方法抽离出来，让用户自己写。因为不同类型的数据的大小不同，所以用户要传入要排序数据的大小，还要传入要排序数据的多少。因此，此函数与qsort函数的参数类似。

    void bubble_sort(void* base, size_t num, size_t size, int (*cmp)(const void*, const void*))
     2.2.1.2 主体部分

           在参数部分中，有一个函数指针，函数主体的大体部分是一样的，我们只需要改变一下比较条件，类似于qsort函数的条件，默认是一个是升序排序。

    1. void bubble_sort(void* base, size_t num, size_t size, int (*cmp)(const void*, const void*))
    2. {
    3. 	for (int i = 0; i < num - 1; ++i)
    4. 	{
    5. 		for (int j = 0; j < num - 1 - i; ++j)
    6. 		{
    7. 			if (cmp((char* )base + j * size, (char*)base + (j + 1) * size) > 0)
    8. 			{
    9. 				swap((char*)base + j * size, (char*)base + (j + 1) * size, size);
    10. 			}
    11. 		}
    12. 	}
    13. }

    2.2.2 实现任何类型的冒泡排序的交换部分

           不同数据类型的数据大小也是不一样的，因为数据类型大小的基本单位是字节，所以我们用char*指针来接收（char类型的大小为1个字节）。我们不能将这个数据进行交换，我们只能一个字节一个字节的交换。

    1. void swap(char* a, char* b, size_t size)
    2. {
    3. 	for (int i = 0; i < size; ++i)
    4. 	{
    5. 		char temp = *a;
    6. 		*a = *b;
    7. 		*b = temp;
    8. 		a++;
    9. 		b++;
    10. 	}
    11. }

    三、一些有关 sizeof 和 strlen 的题目

           这个题目有点多，可能会有点费时间，但是主要是将括号内的东西理解清楚是什么？我们来一一进行： 

    3.1 sizeof 类型

    3.1.1 一维数组

    1. //一维数组
    2. int a[] = { 1,2,3,4 };            //答案  
    3. printf("%d\n", sizeof(a));        //16  
    4. printf("%d\n", sizeof(a + 0));    //4/8
    5. printf("%d\n", sizeof(*a));       //4
    6. printf("%d\n", sizeof(a + 1));    //4/8
    7. printf("%d\n", sizeof(a[1]));     //4
    8. printf("%d\n", sizeof(&a));       //4/8
    9. printf("%d\n", sizeof(*&a));      //16
    10. printf("%d\n", sizeof(&a + 1));   //4/8
    11. printf("%d\n", sizeof(&a[0]));    //4/8
    12. printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));//4/8

    解析： 

    1. 数组名在一般情况下，表示的数组首元素的地址，而数组名单独放在sizeof内部，数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小，单位是字节。

    2. 数组名未单独出现，也没有&，所以数组名表示的是首元素的地址，a + 0还是首元素的地址，是一个指针，大小是4/8个字节。

    3. 数组名未单独出现，也没有&，所以数组名表示的是首元素的地址，解引用表示数组的首元素，大小为4个字节。

    4. 与2类似。

    5. 表示的是数组中第一个元素，其大小为4个字节。

    6. &数组名取出的数组的地址，还是一个指针，大小为4/8个字节。

    7. 解引用与取地址可以互相抵消，则其表示的是数组，计算的是数组的大小，为16个字节。

    8. 与6类似，&数组名取出的是数组的地址，加1表示跳过一个数组大小，指向跳过一个数组的大小的地方。

    9. &a[0]表示的是取出数组首元素的地址，是一个指针，大小为4/8个字节。

    10. 与9类似，还是一个地址，大小为4/8个字节。

    3.1.2 字符数组 

    1. //字符数组
    2. char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};    //答案
    3. printf("%d\n", sizeof(arr));               //6
    4. printf("%d\n", sizeof(arr + 0));           //4/8
    5. printf("%d\n", sizeof(*arr));              //1
    6. printf("%d\n", sizeof(arr[1]));            //1
    7. printf("%d\n", sizeof(&arr));              //4/8
    8. printf("%d\n", sizeof(&arr + 1));          //4/8
    9. printf("%d\n", sizeof(&arr[0] + 1));       //4/8

    3.1.3 二维数组 

    1. //二维数组
    2. int a[3][4] = {0};                    //答案
    3. printf("%d\n", sizeof(a));            //48
    4. printf("%d\n", sizeof(a[0][0]));      //4
    5. printf("%d\n", sizeof(a[0]));         //16
    6. printf("%d\n", sizeof(a[0] + 1));     //4/8
    7. printf("%d\n", sizeof(*(a[0] + 1)));  //4
    8. printf("%d\n", sizeof(a + 1));        //4/8
    9. printf("%d\n", sizeof(*(a + 1)));     //16
    10. printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));    //4/8
    11. printf("%d\n", sizeof(*(&a[0] + 1))); //16
    12. printf("%d\n", sizeof(*a));           //16
    13. printf("%d\n", sizeof(a[3]));         //16

    解析：

    1. 当数组名单独出现在sizeof内部时，数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小，单位是字节；

    2. a[0][0]表示的是这个二维数组的第一行第一列的数组元素，sizeof计算的是类型大小，即数组元素的类型大小，单位是字节；

    3. 这里要对二维数组有一个新的认识，就是二维数组是一维数组的数组，其首元素表示的是二维数组的第一行，即一维数组。因此，当二维数组的首元素单独出现在sizeof内部时，表示的是二维数组的一行元素，计算的是一行元素的大小，单位是字节；

    4. 如果二维数组的元素不是单独出现，则表示的是这一行首元素的地址，加减一个整数即为地址，因为没有对二维数组元素进行取地址，则这里指针的类型是int* ，当加一时，表示的是这一行元素的第二个元素；

    5. 由4可得，对这个地址进行解引用，得到的是一个元素的大小；

    6. 数组名没有单独出现，表示的是数组的第一行地址，此时指针类型为数组指针类型，进行加一时，指向的是第二行的地址；

    7. 由6可得，指向的是数组第二行的地址，进行解引用时，得到的是第二行元素的大小；

    8. &数组名，取出的是第一行元素的地址，再加一，指向的是第二行地址；

    9. 由8可得，对第二行地址进行解引用，得到的是第二行元素的大小；

    10. 数组名未单独出现，对其解引用得到的是数组首元素，即第一行元素的大小；

    11. 这里并没有越界，因为sizeof只是需要知道，用户传过去的是什么类型的即可，并没有去访问。a[3]与a[0]一样表示的一行元素，即一行元素的大小。

     3.2 strlen 类型 

    1. //字符数组
    2. char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};    //答案
    3. printf("%d\n", strlen(arr));               //随机值
    4. printf("%d\n", strlen(arr + 0));           //随机值
    5. printf("%d\n", strlen(*arr));              //error
    6. printf("%d\n", strlen(arr[1]));            //error
    7. printf("%d\n", strlen(&arr));              //随机值
    8. printf("%d\n", strlen(&arr + 1));          //随机值-6
    9. printf("%d\n", strlen(&arr[0] + 1));       //随机值-1

    解析：

    1. strlen计算的字符串的长度，要有'\0'的结束标志，由于这个字符数组中没有'\0'的结束标志，所以是随机值。

    2. 同理，也是随机值。

    3. *arr表示的是一个字符，但在strlen中，只能是地址，所以strlen认为这是一个非法地址，会报错。

    4. 与3同理

    5. &arr尽管取出的是数组的地址，但是在数值上与数组首元素的地址是一样，所以也是随机值。

    6和7与5类似。

    3.3 总结

    再来复习一下数组名的意义：

    1. sizeof(数组名)，这里的数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小；
    2. &数组名，这里的数组名表示整个数组，取出的是整个数组的地址；
    3. 除此之外，所有的数组名都表示首元素的地址。

    四、指针的笔试题

           这个题目有点多，在这里小编先挑几条重要进行讲解，之后小编会整理一下所有的笔试题在写一篇博客的。那么，我们来看笔试题：

    笔试题一：

    题目：

    1. int main()
    2. {
    3.     int a[4] = { 1,2,3,4 };
    4.     int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
    5.     int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
    6.     printf("%x, %x\n", ptr1[-1], *ptr2);
    7.     return 0;
    8. }

    解析：

           第一个是比较简单的，&数组名将数组的整个地址取出，进行加一时，跳过整个数组，看图；第二个就有点难度，因为a表示的是数组首元素的地址，强制类型转换为整形，再加一，只跳过一个字节，而一个整形的大小是4个字节，即这个指针指向的是第一个整形变量中的第二个字节，因此要考虑编译器是小端传输还是大端传输，这是很重要的。

    答案：

    0x00000004, 0x02000000

    笔试题二： 

    题目：

    1. int main()
    2. {
    3.     int a[5][5];
    4.     int(*p)[4];
    5.     p = a;
    6.     printf("%p, %d\n", &p[4][2] - &a[4][2], &p[4][2] - &a[4][2]);
    7.     return 0;
    8. }

    解析：

           p是一个数组指针，将二维数组a的地址赋给p不太合适，但是也能接收，那就可以将p看成一行元素为4个的二维数组，看解析图：

    答案：

           大家自己去验证，这里就不算了。

    学习产出：

    1. 学习qsort函数内部是怎么进行排序的
    2. 用冒泡排序去模拟实现一下可以排序任意类型数据
    3. 做题巩固一下知识点
    4. 指针的笔试题
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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/2301_77868664/article/details/132850670