C语言库函数之 qsort 讲解、使用及模拟实现

引入

我们在学习排序的时候，第一个接触到的应该都是冒泡排序，我们先来复习一下冒泡排序的代码，来作为一个铺垫和引入。

代码如下：

#include<stdio.h>void bubble_sort(int *arr, int sz)
{int i = 0;for (i = 0; i < sz - 1; i++){int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++){if (arr[j] > arr[j + 1]){int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}}
}int main()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bubble_sort(arr, sz);int i = 0;for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}return 0;
}

很简单的一种排序方法，但我们可以发现一个问题，那就是冒泡排序不够通用，它只能用于整型数组的排序，如果我要排序float类型，或者排序结构体要怎么办呢。

下面，我们就来介绍一个比较万能的排序函数，qsort函数

简介

先来简单了解一下qsort函数的各个部分

语法格式

它的固定格式如下：

int cmp_int(const void* e1, const void* e2)
{}

注意：他的格式是固定的，比如返回值类型必须是int类型，形参的类型也是固定的，只有返回值的部分是自己编写的，也就是说，当返回值类型不是int的时候，我们需要进行强制类型转换或者手动将其返回值改成int类型
（这在下文会详细说明）

参数解释

在调用函数时，传参格式如下：

void qsort(void* base,size_t num,size_t width,int (*cmp)(const void* e1, const* e2)
);

可以看一下这张图，里面讲解了qsort函数的各个参数分别表示的是什么，

base:起始位置,待排序数组的首元素地址 num：数组的大小，单位是元素，待排序数组的元素个数
width：元素大小，单位是字节，待排序数组的单个元素的大小 cmp：函数指针（比较函数：compare
function），比较两个元素的函数的地址
解释：对于不同类型元素的比较的方法是不同的，此处就是将两个元素的比较方法写成函数，传到qsort函数中，然后使用指针cmp进行调用
e1和e2可以简单地认为是要比较的两个元素的地址，（下面会做补充说明）

对void *的解释

先抛出一个问题：下面这个代码有什么问题

int main()
{int a = 0;int *pa = &a;char* pc = &a; return 0;
}

问题就是：第四行和第五行：此处虽然可以存储，但会报警告：从“int *”

到“char *”的类型不兼容。

那么，我们这时就可以使用，void *（无指针类型）来解决这个问题

void* p = &a;
//void *类型的指针可以接收任意类型的地址

此处就可以很好地解释qsort函数的第一个参数：void* base

补充：

对于void *类型的指针无法进行解引用
因为不知道进行解引用之后，要访问几个字节
同理，也无法进行无符号型的指针与整数的运算

那么，在qsort函数中，如何比较e1与e2呢
可以将二者强制转换成所需的类型（代码中会提到这一点）

返回值

下图是英文版的介绍

对qsort函数返回值的解释
当e1<e2,返回值小于0
当e1=e2，返回值等于0
当e1>e2 返回值大于0

提示：所以可以利用这个规律将不是int类型的返回值手动变成int型（下文float类型那里会详细说明）

使用

此处我们举三个例子，分别是int、float和结构体类型变量的比较

int类型

明确需要

我们需要三个函数：main函数（调用test函数），test函数（调用qsort函数、打印最终结果），和cmp_int函数（提供元素的比较方法）

test函数

1.创建数组
2.计算大小
3.调用qsort函数
4.打印最终结果

cmp_int函数

照着前面的固定格式，然后返回值那里就直接用

（这里我一写*，他就识别成斜体，大家直接看下面的代码吧…)

最终代码

#include<stdlib.h>int cmp_int(const void* e1, const void* e2)
{return *(int*)e1 - *(int*)e2;}void test1()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);qsort(arr, sz, sizeof(arr[0]), cmp_int);int i = 0;for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");
}int main()
{test1();return 0;
}

还是比较好理解的，就不做过多解释了

float类型

对于cmp_float函数的说明

问题

我们知道cmp_float函数的返回值必须是int类型的，但,

*(float*)e1 - *(float*)e2

的返回类型是float类型，在运行时会报一个警告：return”: 从“float”转换到“int”，可能丢失数据，
此处提供两种解决方法：

1.使用if else语句手动判断大小并根据情况分别返回一个负数、0、一个正数
代码如下：

if (*(float*)e1 > *(float*)e2)
{return 1;
}
else if (*(float*)e1 == *(float*)e2)
{return 0;
}
else
{return -1;
}

2.使用强制类型转换，转换成int类型

最终代码

#include<stdlib.h>int cmp_float(const void* e1, const void* e2)
{return *(float*)e1 - *(float*)e2;
}void test2()
{float f[] = { 9.0, 8.0, 7.0, 6.0 ,5.0 ,4.0 ,3.0, 2.0, 1.0 };int sz = sizeof(f) / sizeof(f[0]);qsort(f, sz, sizeof(f[0]), cmp_float);int i = 0;for (i = 0; i < sz; i++){printf("%.3f ", f[i]);}
}int main()
{test2();return 0;
}

结构体类型

如果我们想要排序结构体类型的变量，那就很有意思了，我们一步一步来分析

明确需要

main函数、test3函数、cmp_stu函数
下面我们重点解释一下test3函数和cmp_stu函数

test3函数

1.创建结构体类型的数组，并初始化
2.求数组元素个数
3.调用qsort函数，里面包含了cmp_stu函数的地址，即调用cmp_stu函数

cmp_stu函数

照猫画虎

我们按照前面的两个例子写出来的应该是

int cmp_struct(const void* e1, const void* e2)
{return *(struct*)e1 - *(struct*)e2;}

但这么写是错误的， 因为结构体是复杂对象，无法直接用 > 或 < 进行比较，那么我们就需要确定是用哪个成员去作为比较的标准
再通过->来访问相应的成员

下面给出两个例子，此处分别以年龄age作为排序标准和以名字name来排序，

cmp_stu_by_age函数

将e1和e2从void* 类型转换成结构体类型指针，然后再通过->访问相应的成员
然后直接让二者相减即可，此处在强制类型转换时别忘了写上struct就行

int cmp_stu_by_age(const void* e1, const void* e2)
{return ((struct Stu*)e1)->age - ((struct Stu*)e2)->age;}

这个函数的实现还是与cmp_int函数有一些相似的，

cmp_stu_by_name函数

提示：此处比较的是字符串，同样不能用 > < 来进行比较
而是要用strcmp函数进行比较，包含头文件<string.h>

int cmp_stu_by_name(const void* e1, const void* e2)
{return strcmp(((struct Stu*)e1)->name, ((struct Stu*)e2)->name);}

最终代码

#include<stdlib.h>struct Stu
{char name[40];int age;
};int cmp_stu_by_age(const void* e1, const void* e2)
{return ((struct Stu*)e1)->age - ((struct Stu*)e2)->age;}int cmp_stu_by_name(const void* e1, const void* e2)
{return strcmp(((struct Stu*)e1)->name, ((struct Stu*)e2)->name);提示，此处比较的是字符串，同样不能用 > < 来进行比较而是要用strcmp函数进行比较
}void test3()
{struct Stu s[3] = { {"zhang", 20},{"li", 30},{"wang", 40} };int sz = sizeof(s) / sizeof(s[0]);qsort(s, sz, sizeof(s[0]), cmp_stu_by_age);
}int main()
{test3();return 0;
}

三个例子到这里就介绍结束了，其实这样看下来也不是很难理解。
下面我们来学习qsort函数的模拟实现，也就是优化bubble_sort函数，使它能排序任意类型的元素

模拟实现

引入：

此处提出一个问题：如果说，我不想使用qsort函数，我就想使用冒泡函数，那我要如何改进它，才能达到和qsort函数相同的效果呢？

函数调用方面的改进

接收地址

如果说想让冒泡排序函数具有排序任意类型元素的功能，那么首先，它就应该能接收任意类型元素的地址（类似于qsort中的base参数）

元素个数

函数需要知道要排序多少个元素，所以就需要传入数组的大小（类似num参数）

元素大小（宽度）

知道了待排序数组的起始位置和元素个数后，我们需要对数组中的元素进行移动操作， 那么我们就需要知道元素的大小是什么

简易版框架如下：

void bubble_sort(void* base, int sz, int width)
{int i = 0;//次数for (i = 0; i < sz; i++){//每次需要比较的元素对数int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++)//比较两个元素{}}
}

疑问1：

基本框架搭建好了，那我们要如何比较两个元素呢，我们又不知道他们的类型？

所以我们在传参的时候，还需要将两个元素的比较方法（函数）一并传进bubble_sort函数中，也就是第四个参数

首先，要传入的肯定是函数的地址，
其次，我们需要返回一个值来告诉我们比较的结果是什么（此处类似qsort函数的返回值）
最后，对于要比较的两个元素，因为要求函数具有通用性，所以参数类型就是void *类型

代码如下：

void bubble_sort(void* base, int sz, int width, int(*cmp)(void* e1,void* e2) )
{int i = 0;//次数for (i = 0; i < sz; i++){//每次需要比较的元素对数int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++)//比较两个元素{if(cmp()>0)//交换if(cmp()>0)//交换{}}}}
}

疑问2：if语句

if(cmp()>0)//交换{}

我们知道这个语句是比较两个元素，那我们怎么找到这俩个元素呢？

我们知道，base就是首元素的地址，

想法1

那么有人想通过加减整数来找到后面的元素，这个问题在我前面的文章提到过：因为元素是void*类型的，不知道元素大小，无法与整数进行运算

想法2

那么又有人想：将base传换成（int*）类型再运算不就行了吗，
还是不对，因为我们不知道传进来的参数究竟是什么类型，所以我们不能假定他的类型

想法3

小明这时候提出来：我们已经知道了每个元素的大小：width，那可不可以先把base转换成char*类型，再加上每个元素的字节大小width呢？

这么做就可以了，
因为char*大小是一个字节，每次移动width个字节，就进入到下一个元素中了

if语句代码如下：

if(cmp((char*)base+ j*width, (char*)base +(j+1)*width)>0)//交换
{}

疑问3：怎么交换

这里先创建一个swap函数用于两个元素的交换

void Swap(char*buf1, char*buf2)
{}void bubble_sort(void* base, int sz, int width)
{int i = 0;//次数for (i = 0; i < sz; i++){//每次需要比较的元素对数int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++)//比较两个元素{if(cmp((char*)base+ j*width, (char*)base +(j+1)*width)>0)//交换{Swap((char*)base + j * width, (char*)base + (j + 1) * width);}}}
}

但是，我们仔细看，Swap函数接收的参数类型是char*，一个字节大小，如果我这个元素是8个字节类型，要怎么交换呢，
所以如果按照一个字节一个字节这么交换的方式，我们就需要知道要交换的元素的字节大小（width），以及要交换几次

代码如下：

void Swap(char*buf1, char*buf2, int width)
{int i = 0;for (i = 0; i < width; i++){char tmp = *buf1;*buf1 = *buf2;*buf2 = tmp;buf1++;buf2++;}
}

简单实现（int类型）

完整代码如下：

void Swap(char*buf1, char*buf2, int width)
{int i = 0;for (i = 0; i < width; i++){char tmp = *buf1;*buf1 = *buf2;*buf2 = tmp;buf1++;buf2++;}
}void bubble_sort(void* base, int sz, int width, int (*cmp)(void*e1, void*e2))
{int i = 0;//次数for (i = 0; i < sz; i++){//每次需要比较的元素对数int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++)//比较两个元素{if(cmp((char*)base+ j*width, (char*)base +(j+1)*width)>0)//交换{Swap((char*)base + j * width, (char*)base + (j + 1) * width, width);}}}
}int cmp_int(const void* e1, const void* e2)
{return *(int*)e1 - *(int*)e2;
}void test4()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bubble_sort(arr, sz, sizeof(arr[0]), cmp_int);
}int main()
{test4();return 0;
}

想要进行其他类型的比较只需要在调用bubble_sort函数时，将第四个参数修改成对应的比较方法即可（当然，这需要自己构建）

小提示：
->的优先级高于强制类型转换，所以要用()先将强制类型转换括起来，先转换，再访问

题外话

因为想要使bubble_sort函数具有通用性，所以我们需要将不同类型元素的比较方法的函数的地址传进来（也就是第四个参数），而这种将函数地址传进另一个函数，由这个函数去实现调用的方法，就称为回调函数（大概就是这个意思），我这几天在整理指针的知识，有时间就写一篇博客。

结语

没想到感觉没怎么写，就写了六千多字（捂脸）
只能再一次感叹C的丰富

文章到这里就结束了，希望这篇文章对你有所帮助，我们下篇文章见~