[C语言日寄] qsort函数的练习

siy2333

发布于 2025-03-16 12:28:44

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前言

在C语言的世界里，qsort 函数是一个非常强大且灵活的工具，它允许我们对任意类型的数组进行快速排序。这种特性使得 qsort 在处理复杂数据排序时变得非常方便。今天，我们就通过一个简单的程序来深入探讨 qsort 的使用，以及它在C语言中的重要性。

题目引入

下面程序的输出结果是：（）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[3] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    qsort(students, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    return 0;
}

A. 按编号排序 B. 按姓名排序 C. 按年龄排序，年龄相同按姓名排序 D. 按年龄排序，年龄相同按编号排序

在接下来的文章中，我们会一起把 qsort 的知识与题目结合起来，学习这一知识点。

一、qsort函数的定义与使用

qsort函数的定义

qsort 函数是C语言标准库 <stdlib.h> 中提供的一个通用排序函数，其原型如下：

void qsort(void* base, size_t nitems, size_t size, int (*compar)(const void*, const void*));

base：指向要排序的数组的首地址。
nitems：数组中元素的个数。
size：数组中每个元素的大小（以字节为单位）。
compar：比较函数的指针，用于定义排序的规则。

qsort函数的使用

1. 示例：对整数数组排序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}

int main()
{
    int arr[] = {5, 2, 9, 1, 5, 6};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("Before sorting:\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    qsort(arr, n, sizeof(int), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

输出结果：

Before sorting:
5 2 9 1 5 6
After sorting:
1 2 5 5 6 9

2. 示例：对结构体数组排序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[3] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    qsort(students, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    return 0;
}

输出结果：

Before sorting:
Student 1: Num = 9801, Name = zhang, Age = 20
Student 2: Num = 9802, Name = wang, Age = 19
Student 3: Num = 9803, Name = zhao, Age = 18
After sorting:
Student 1: Num = 9803, Name = zhao, Age = 18
Student 2: Num = 9802, Name = wang, Age = 19
Student 3: Num = 9801, Name = zhang, Age = 20

二、知识点分析

1. qsort函数的参数

base参数

base 参数是指向要排序的数组的首地址。在C语言中，数组名本身就是一个指向数组首元素的指针，因此可以直接将数组名传递给 base 参数。

nitems参数

nitems 参数表示数组中元素的个数。可以通过 sizeof(arr) / sizeof(arr[0]) 来计算数组中元素的个数。

size参数

size 参数表示数组中每个元素的大小（以字节为单位）。对于基本数据类型（如 int、float 等），可以直接使用 sizeof 运算符来获取其大小。对于结构体类型，也可以使用 sizeof 运算符来获取其大小。

compar参数

compar 参数是一个比较函数的指针，用于定义排序的规则。比较函数的原型如下：

int cmp(const void* a, const void* b);

如果第一个参数小于第二个参数，返回负数。
如果第一个参数等于第二个参数，返回零。
如果第一个参数大于第二个参数，返回正数。

2. 比较函数的编写

比较函数是 qsort 函数的核心部分，它决定了排序的规则。比较函数的编写需要根据具体的需求来实现。以下是一些常见的比较函数的编写方法：

对整数数组排序

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}

对浮点数数组排序

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    if (*(float*)a < *(float*)b) {
        return -1;
    } else if (*(float*)a > *(float*)b) {
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

对字符串数组排序

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    return strcmp(*(char**)a, *(char**)b);
}

对结构体数组排序

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

3. qsort函数的工作原理

qsort 函数是一种快速排序算法的实现。快速排序的基本思想是：选择一个基准值（pivot），将数组分为两部分，左边的部分都小于基准值，右边的部分都大于基准值，然后递归地对左右两部分进行排序。

qsort 函数的工作原理如下：

选择一个基准值（pivot）。
将数组分为两部分，左边的部分都小于基准值，右边的部分都大于基准值。
递归地对左右两部分进行排序。

三、注意事项

1. 比较函数的返回值

比较函数的返回值必须符合以下规则：

如果第一个参数小于第二个参数，返回负数。
如果第一个参数等于第二个参数，返回零。
如果第一个参数大于第二个参数，返回正数。

如果返回值不符合上述规则，可能会导致排序结果不正确。

2. 比较函数的参数类型

比较函数的参数类型是 const void*，表示指向任意类型的指针。在比较函数中，需要将 const void* 类型的参数强制转换为具体的类型指针，然后进行比较。

3. 数组的大小

在调用 qsort 函数时，需要正确计算数组的大小。对于基本数据类型（如 int、float 等），可以直接使用 sizeof 运算符来获取其大小。对于结构体类型，也可以使用 sizeof 运算符来获取其大小。

4. 数组的元素个数

在调用 qsort 函数时，需要正确计算数组的元素个数。可以通过 sizeof(arr) / sizeof(arr[0]) 来计算数组中元素的个数。

四、拓展应用

1. 对结构体数组进行多级排序

在实际应用中，我们可能需要对结构体数组进行多级排序。例如，先按年龄排序，如果年龄相同，则按姓名排序。以下是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[3] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    qsort(students, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    return 0;
}

2. 对结构体数组进行逆序排序

在实际应用中，我们可能需要对结构体数组进行逆序排序。以下是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pb->age - pa->age;
    } else {
        return strcmp(pb->name, pa->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[3] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    qsort(students, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    return 0;
}

3. 对结构体数组进行部分排序

在实际应用中，我们可能需要对结构体数组进行部分排序。以下是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[5] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18},
        {9804, "li", 21},
        {9805, "sun", 22}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 5);

    qsort(students + 1, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 5);

    return 0;
}

4. 对结构体数组进行自定义排序

在实际应用中，我们可能需要对结构体数组进行自定义排序。以下是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct stu
{
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

int cmp(const void* a, const void* b)
{
    struct stu* pa = (struct stu*)a;
    struct stu* pb = (struct stu*)b;
    if (pa->age != pb->age) {
        return pa->age - pb->age;
    } else {
        return strcmp(pa->name, pb->name);
    }
}

void print_students(struct stu* students, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("Student %d: Num = %d, Name = %s, Age = %d\n", i + 1, students[i].num, students[i].name, students[i].age);
    }
}

int main()
{
    struct stu students[3] = {
        {9801, "zhang", 20},
        {9802, "wang", 19},
        {9803, "zhao", 18}
    };

    printf("Before sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    qsort(students, 3, sizeof(struct stu), cmp);

    printf("After sorting:\n");
    print_students(students, 3);

    return 0;
}