插入排序（InsertionSort）

一、什么是插入排序

1.概念

插入排序，一般也被称为直接插入排序。对于少量元素的排序，它是一个有效的算法 。插入排序是一种最简单的排序方法，它的基本思想是将一个记录插入到已经排好序的有序表中，从而一个新的、记录数增1的有序表。在其实现过程使用双层循环，外层循环对除了第一个元素之外的所有元素，内层循环对当前元素前面有序表进行待插入位置查找，并进行移动。

2.算法原理

每一步将一个待排序的数据插入到前面已经排好序的有序序列中，直到插完所有元素为止

3.算法实现

直接插入排序是将无序序列中的数据插入到有序的序列中，在遍历无序序列时，首先拿无序序列中的首元素去与有序序列中的每一个元素比较并插入到合适的位置，一直到无序序列中的所有元素插完为止。对于一个无序序列arr{4，6，8，5，9}来说，我们首先先确定首元素4是有序的，然后在无序序列中向右遍历，6大于4则它插入到4的后面，再继续遍历到8，8大于6则插入到6的后面，这样继续直到得到有序序列{4，5，6，8，9}。 具体如下图所示：

import java.util.Arrays;

public class InsertionSort {

	public static void insertionSort(int[] arr) {
		if (arr == null || arr.length < 2) {
			return;
		}
		// 不只1个数
		for (int i = 1; i < arr.length; i++) { // 0 ~ i 做到有序
			for (int j = i - 1; j >= 0 && arr[j] > arr[j + 1]; j--) {
				swap(arr, j, j + 1);
			}
		}
	}

	// i和j是一个位置的话，会出错
	public static void swap(int[] arr, int i, int j) {
		arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
		arr[j] = arr[i] ^ arr[j];
		arr[i] = arr[i] ^ arr[j];
	}

	// for test
	public static void comparator(int[] arr) {
		Arrays.sort(arr);
	}

	// for test
	public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
		// Math.random() -> [0,1) 所有的小数，等概率返回一个
		// Math.random() * N -> [0,N) 所有小数，等概率返回一个
		// (int)(Math.random() * N) -> [0,N-1] 所有的整数，等概率返回一个
		int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())]; // 长度随机
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
			arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
		}
		return arr;
	}

	// for test
	public static int[] copyArray(int[] arr) {
		if (arr == null) {
			return null;
		}
		int[] res = new int[arr.length];
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
			res[i] = arr[i];
		}
		return res;
	}

	// for test
	public static boolean isEqual(int[] arr1, int[] arr2) {
		if ((arr1 == null && arr2 != null) || (arr1 != null && arr2 == null)) {
			return false;
		}
		if (arr1 == null && arr2 == null) {
			return true;
		}
		if (arr1.length != arr2.length) {
			return false;
		}
		for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
			if (arr1[i] != arr2[i]) {
				return false;
			}
		}
		return true;
	}

	// for test
	public static void printArray(int[] arr) {
		if (arr == null) {
			return;
		}
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
			System.out.print(arr[i] + " ");
		}
		System.out.println();
	}

	// for test
	public static void main(String[] args) {
		int testTime = 500000;
		int maxSize = 100; // 随机数组的长度0～100
		int maxValue = 100;// 值：-100～100
		boolean succeed = true;
		for (int i = 0; i < testTime; i++) {
			int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
			int[] arr1 = copyArray(arr);
			int[] arr2 = copyArray(arr);
			insertionSort(arr1);
			comparator(arr2);
			if (!isEqual(arr1, arr2)) {
				// 打印arr1
				// 打印arr2
				succeed = false;
				for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
					System.out.print(arr[j] + " ");
				}
				System.out.println();
				break;
			}
		}
		System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Fucking fucked!");

		int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
		printArray(arr);
		insertionSort(arr);
		printArray(arr);
	}

}

二、插入排序算法特点

1.时间复杂度

插入排序中，当待排序数组是有序时，是最优的情况，只需当前数跟前一个数比较一下就可以了，这时一共需要比较 N-1 次，时间复杂度为 O(N)。最坏的情况是待排序数组是逆序的，此时需要比较次数最多，最坏的情况是 O(n^2)。

2.空间复杂度 (opens new window)

空间复杂度为常数阶 O(1)

3.稳定性

如果待排序的序列中存在两个或两个以上具有相同关键词的数据，排序后这些数据的相对次序保持不变，即它们的位置保持不变，通俗地讲，就是两个相同的数的相对顺序不会发生改变，则该算法是稳定的；如果排序后，数据的相对次序发生了变化，则该算法是不稳定的。关键词相同的数据元素将保持原有位置不变，所以该算法是稳定的。