【c语言】qsort函数及泛型冒泡排序的模拟实现

简介: 本文介绍了C语言中的`qsort`函数及其背后的回调函数概念。`qsort`函数用于对任意类型的数据进行排序,其核心在于通过函数指针调用用户自定义的比较函数。文章还详细讲解了如何实现一个泛型冒泡排序,包括比较函数、交换函数和排序函数的编写,并展示了完整的代码示例。最后,通过实际运行验证了排序的正确性,展示了泛型编程的优势。

一、qsort函数

1.回调函数

       在了解qsort函数之前,我们先来学习一个概念:回调函数。那么回调函数是什么呢?


简单地说,回调函数就是通过函数指针调用的函数。


如果你将函数A的地址传给另外一个函数B,当B通过这个地址调用函数A时,函数A就称作回调函数。回调函数不是由该函数的实现方直接调用,而是在特定的事件或条件发生时由另外的一方调用的,用于对该事件或者条件进行响应。


2.qsort函数

       在了解了回调函数的概念后,我们来学习一下qsort函数。qsort函数是c语言标准库下的一个函数,它的作用是对任意类型的数据进行排序。我们在cplusplus上搜索一下它:



可以看到,这个函数在使用的时候需要引头文件<stdlib.h>。它有四个参数,其中第四个参数就是一个函数指针。我们再观察一下四个参数的内容:



第一个参数是一个指向数组首元素的指针base,它会被转换为void*类型的指针。

第二个参数是这个数组中的元素个数num,类型是size_t。

第三个参数是数组中每一个元素的内存大小size。

第四个参数是一个函数指针compar,这个函数指针指向的函数用于比较两个元素,也就是说,在qsort函数执行排序功能时,需要调用我们自己写的元素比较函数。对于比较函数,如果第一个参数小于第二个参数,就返回负数,反之就返回正数,相等则返回0。


可以看出,qsort函数是通过compar函数的地址调用它的,所以这里的compar函数就是一个回调函数


       好,我们现在来试着使用一下qsort函数:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int cmp_int(const void* p1, const void* p2)
{
    return *(int*)p1 - *(int*)p2;//对int类型数据进行比较,将void*型指针强制转换为int*类型
}
 
int main()
{
    int arr[10] = { 2,10,5,4,9,3,6,8,1,7 };
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    qsort(arr, sz, sizeof(int), cmp_int);
    for (int i = 0; i < sz; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}

运行结果:



可以看到,数组的元素确实被排序过来了。


3.void* 指针

       刚才的代码当中,我们使用了void*类型的指针作为形参。我们来着重介绍一下void*类型的指针。


void*类型的指针也叫做无具体类型的指针,它的作用是可以接收任何类型的指针,常常存在于形参之中。当使用void*类型的指针时,它是无法直接进行解引用操作的,需要将其强制类型转换为其他类型的指针,才能确定访问的字节数,从而继续使用。


二、泛型冒泡排序的模拟实现

       接下来,我们基于能够排序任意类型的数据qsort函数,模拟实现一个冒泡排序,能够排序任意类型的数据。


1.比较函数的编写

       首先我们来编写比较函数。以int类型为例,将void*指针转换为int*类型即可。

int cmp_int(const void* p1, const void* p2)
{
    return *(int*)p1 - *(int*)p2;
}

这里将传入元素的地址,之后以int类型的形式访问四个字节,然后进行大小比较,前者大于后者

则返回正数,否则返回负数,相等返回0。


2.交换函数的编写

接下来我们写一个函数来实现元素的交换(注意:这里由于不知要交换什么类型的元素,所以要转换为char*类型的指针,然后一个字节一个字节地交换):

void swap(void* p1, void* p2, size_t size)
{
    int i = 0;
    char tmp = 0;
    for (i = 0; i < size; i++)//一个字节一个字节地交换,交换size次
    {
        tmp = *((char*)p1 + i);
        *((char*)p1 + i) = *((char*)p2 + i);
        *((char*)p2 + i) = tmp;
    }
}

注意:由于强制类型转换是临时的,所以每一次使用的时候都要进行强制类型转换。


为了便于大家理解这里的交换过程,我们画图演示交换过程:



3.冒泡排序的编写

       冒泡排序的编写大体和原本的冒泡排序相同,但是有些细节需要处理:

void bubble_sort(void* base, size_t num, size_t sinumze, int(*cmp)(const void*, const void*))
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    for (i = 0; i < num - 1; i++)
    {
        for (j = 0; j < num - 1 - i; j++)
        {
            //这里需要将数组中下标为j和j+1的元素进行比较,所以将base强制转换为char*类型,然后加上相应内存大小的j倍或j+1倍就可以得到第j和j+1个元素的地址
            if (cmp((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1)) > 0)
            {
                //相同道理,交换第j和j+1个元素
                swap((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1), size);
            }
        }
    }
}

4.全部代码和使用示例

程序全部代码:

int cmp_int(const void* p1, const void* p2)
{
    return *(int*)p1 - *(int*)p2;
}
 
void swap(void* p1, void* p2, size_t size)
{
    int i = 0;
    char tmp = 0;
    for (i = 0; i < size; i++)//一个字节一个字节地交换,交换size次
    {
        tmp = *((char*)p1 + i);
        *((char*)p1 + i) = *((char*)p2 + i);
        *((char*)p2 + i) = tmp;
    }
}
 
void bubble_sort(void* base, size_t num, size_t size, int(*cmp)(const void*, const void*))
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    for (i = 0; i < num - 1; i++)
    {
        for (j = 0; j < num - 1 - i; j++)
        {
            //这里需要将数组中下标为j和j+1的元素进行比较,所以将base强制转换为char*类型,然后加上相应内存大小的j倍或j+1倍就可以得到第j和j+1个元素的地址
            if (cmp((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1)) > 0)
            {
                //相同道理,交换第j和j+1个元素
                swap((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1), size);
            }
        }
    }
}

接下来我们试着使用一下,看看是否能够排序成功:



可以看到,排序成功了。大家也可以尝试编写其他类型的比较函数来进行排序。


       像这种可以针对任意类型的编程方法,我们称之为泛型编程。泛型编程提高了代码的重复利用率,增加了程序安全性和执行效率。


总结

       今天我们学习了qsort函数及泛型冒泡排序的模拟实现,由此可以看出泛型编程的好处。之后博主会和大家介绍一些c语言中的常见字符串函数,并且模拟实现。如果你觉得博主讲的还不错,就请留下一个小小的赞在走哦,感谢大家的支持❤❤❤

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