深入理解 C 语言冒泡排序：从代码实现到原理剖析

在 C 语言的学习旅程中，排序算法是绕不开的重要知识点，而冒泡排序作为最基础、最易理解的排序算法之一，更是初学者入门的绝佳选择。今天，我们就从一段具体的 C 语言冒泡排序代码出发，一步步拆解其实现逻辑、核心原理以及可优化的方向，带大家真正掌握冒泡排序的精髓。

一、代码功能初览：让无序数组 “归位”

首先，我们先来看这段完整的 C 语言代码。它的核心功能非常明确：定义一个包含 10 个元素的无序数组arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0}，通过冒泡排序算法将其按升序排列，最后再将排序后的数组打印输出。

在main函数中，有一个关键操作 —— 计算数组的元素个数sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0])。这里需要特别注意，sizeof(arr)计算的是整个数组所占的字节数，而sizeof(arr[0])计算的是数组首元素所占的字节数，两者相除才能得到数组的元素个数。很多初学者会直接在bubble_sort函数中使用sizeof(arr)来计算元素个数，但这是错误的，因为数组作为函数参数传递时，会退化为指针，此时sizeof(arr)计算的是指针的大小（在 32 位系统中为 4 字节，64 位系统中为 8 字节），而非数组的大小，这也是代码注释中强调 “arr 是首元素地址，在函数中不能用其求 sz” 的原因。

当我们运行这段代码时，最终会在控制台输出0 1 2 3 4 5 6 7 8 9，这表明冒泡排序算法成功将原本末尾的0“冒泡” 到了数组开头，实现了数组的升序排列。

二、冒泡排序原理：“相邻比较，逐步归位”

要理解这段代码，关键在于搞懂冒泡排序的核心原理。冒泡排序的本质是通过相邻元素之间的比较和交换，将最大（或最小）的元素逐步 “冒泡” 到数组的末尾（或开头），就像水中的气泡逐渐上浮一样。

1. 外层循环：控制 “冒泡趟数”

代码中的外层循环for(i=0;i<sz-1;i++)控制的是冒泡排序的 “趟数”。为什么是sz-1趟而不是sz趟呢？我们可以这样理解：对于一个包含sz个元素的数组，当我们完成sz-1趟排序后，前sz-1个元素已经按照升序排列好了，那么最后一个元素自然就是最大的元素，不需要再进行第sz趟排序了。

比如在我们的例子中，数组有 10 个元素，外层循环会执行 9 趟。第一趟排序会将最大的元素9“冒泡” 到数组的末尾（索引 9 的位置）；第二趟排序会将第二大的元素8“冒泡” 到索引 8 的位置；以此类推，直到第九趟排序，将第二小的元素1“冒泡” 到索引 1 的位置，此时数组就完全有序了。

2. 内层循环：实现 “相邻比较与交换”

内层循环for(j=0;j<=sz-1-i;j++)则负责每一趟排序中的相邻元素比较与交换。这里的sz-1-i是一个非常关键的优化点，代码注释中也提到 “-i 可以提高效率，每次循环都把排好的数字省略了；减小了运算”。

为什么要减去i呢？因为在外层循环执行i趟之后，数组末尾的i个元素已经是有序的了（它们是前i趟排序中 “冒泡” 到末尾的最大i个元素），不需要再对这i个元素进行比较。比如在第一趟排序（i=0）时，内层循环需要比较到sz-1的位置（即索引 9），因为此时还没有任何元素有序；在第二趟排序（i=1）时，数组末尾的 1 个元素（索引 9）已经有序，所以内层循环只需要比较到sz-1-1 = sz-2的位置（即索引 8）；以此类推，每多执行一趟外层循环，内层循环的比较次数就会减少 1 次，大大提高了排序的效率。

在每次内层循环中，代码会判断当前元素arr[j]是否大于下一个元素arr[j+1]。如果满足条件，就通过一个临时变量t实现两个元素的交换，将较大的元素往后移动一位。通过这样一次次的相邻比较和交换，每一趟排序都会将当前未排序部分的最大元素 “冒泡” 到未排序部分的末尾。

三、代码优化：让排序更高效

虽然这段代码已经实现了冒泡排序的基本功能，但在实际应用中，我们还可以对其进行进一步优化，让排序效率更高。

1. 增加 “有序标记”，避免无效循环

在某些情况下，数组可能在完成sz-1趟排序之前就已经变得有序了。比如数组{1,2,3,4,5,6,7,8,0,9}，在第一趟排序将9“冒泡” 到末尾后，第二趟排序将8“冒泡” 到索引 8 的位置，此时数组已经变成{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，后续的 7 趟排序都是无效的。

为了避免这种无效循环，我们可以增加一个 “有序标记”。具体做法是：在每一趟外层循环开始前，定义一个布尔变量is_sorted = 1（假设 1 表示有序，0 表示无序）；在每一次内层循环的元素交换后，将is_sorted设为 0；每一趟外层循环结束后，判断is_sorted的值，如果is_sorted仍然为 1，说明这一趟排序中没有发生任何元素交换，数组已经有序，此时可以直接跳出外层循环，结束排序。

优化后的bubble_sort函数代码如下：

void bubble_sort(int arr[], int sz) {

int i = 0;

for (i = 0; i < sz - 1; i++) {

int is_sorted = 1; // 有序标记，初始化为有序

int j = 0;

for (j = 0; j <= sz - 1 - i; j++) {

if (arr[j] > arr[j + 1]) {

int t = arr[j];

arr[j] = arr[j + 1];

arr[j + 1] = t;

is_sorted = 0; // 发生交换，说明数组无序

}

}

if (is_sorted == 1) {

break; // 数组已经有序，跳出循环

}

}

}

2. 记录 “最后一次交换位置”，进一步减少比较次数

除了增加 “有序标记”，我们还可以记录每一趟排序中 “最后一次交换的位置”。因为在最后一次交换位置之后的元素，在这一趟排序中没有发生任何交换，说明它们已经是有序的了，下一趟排序时，内层循环只需要比较到这个 “最后一次交换位置” 即可，而不需要再比较到sz-1-i的位置。

这种优化方式特别适用于数组中大部分元素已经有序的情况，可以进一步减少内层循环的比较次数，提高排序效率。

四、总结：冒泡排序的价值与意义

虽然冒泡排序的时间复杂度为O(n²)，在处理大规模数据时效率较低，但其依然具有重要的学习价值。

首先，冒泡排序的原理非常简单直观，通过相邻元素的比较和交换实现排序，非常适合初学者理解排序算法的基本思想 —— 通过重复操作逐步将数据变得有序。其次，这段 C 语言代码中涉及了数组作为函数参数传递、sizeof运算符的使用、循环结构的嵌套等多个 C 语言的核心知识点，掌握这段代码的实现与优化，能够帮助初学者加深对 C 语言基础语法的理解和运用。

最后，冒泡排序的优化思路（如增加有序标记、记录最后一次交换位置）也为我们学习更复杂的排序算法（如插入排序、希尔排序）奠定了基础，让我们明白 “优化” 在算法设计中的重要性。

希望通过今天对这段冒泡排序代码的深入剖析，大家能够真正掌握冒泡排序的原理和实现，同时也能对 C 语言的相关知识点有更清晰的认识。在后续的学习中，也可以尝试将冒泡排序修改为降序排列，或者用其处理不同类型的数组（如字符数组），进一步巩固所学知识。