schedule2019-01-29

眺めていられる選択ソートのシミュレーション|JavaScript

simulationアルゴリズムJavaScriptp5js

シミュレーションが好きなので、一通りソートアルゴリズムを実装して眺めて見たい欲求に駆られました。

今回は選択ソート（selection sort）です。クイックソートとバブルソートに引き続き、ぼーっとできるシミュレーションを作りました。

p5.jsで作りました。是非、眺めてやって下さい。

ブラウザはChromeを推奨！

選択ソート (selection sort)

選択ソートは交換回数が少なく、簡単に実装できて小さなファイルに適したソートです。走査範囲から最小の値を見つけ先頭と交換していきます。ただし、規模が大きいと計算量が悪化します（ $O(n^2)$ ）。

手順は以下の通りです。

リスト内の最小値を見つける
現在の位置と交換する。
配列全体を交換するまでこの処理を全ての要素に繰り返す。

バブルソートと似ていますが、交換回数がかなり少ないです。

シミュレーション

早速、どんな風にソートしているか眺めてみましょう。

黄色 : 比較する要素
青色 : 左の交換する要素
赤色 : 右の交換する要素
うっすらと明るいのが走査範囲。

赤と青が出たら交換しているんだなーと思っていただければ良いです。

リスタートボタンで再度計算します。初期の配列は毎回ランダム。

とてもお行儀の良いソートに見える。このように、最小要素を繰り返し選択するため選択ソートと呼ばれます。比較回数は多いが、交換回数は配列長より短くなります。

選択ソートのコード

for文は２重だが両方とも順方向であるため、理解しやすい。

// 選択ソート
function selectionSort(array) {
  let length = array.length;

  // 3. 配列全体を交換するまでこの処理を全ての要素に繰り返す。
  for(let i = 0; i < length; i++){
    let min = i;
    for(let j = i+1; j < length; j++){
      if(array[j] < array[min]){
        // 1. リスト内の最小値を見つける
        min = j;
      }
    }
    // 2. 現在の位置と交換する。
    swap(i, min, array);
  }
}


// 配列の要素を交換する
function swap(left, right, array) {
  let tmp = array[left];
  array[left] = array[right];
  array[right] = tmp;
}

コードの全容

p5jsでの描画も含めたコードの全容です。

HTML

<!-- p5js -->
<script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/p5.js/0.7.3/p5.min.js"></script>

<script src="/images/posts/77/selection-sort.js"></script>

<div>
  <div  class="center">配列長： <span id="length">30</span> &nbsp;
    交換回数：<span id="count">0</span>&nbsp;
  </div>
  <div class="center">
    <button type="button" class="button is-primary" onclick="restart();">リスタート</button>
  </div>
  <div id="canvas"  class="has-text-centered"></div>
</div>

<style>
.chart {
  width: 100%;
  height: 400px;
}
.center{
  text-align: center;
  margin: 10px;
}
</style>

JavaScript

selection-sort.js

let map = [];
let count = 0; // 交換回数
let sorted = false;

// 再描画
function restart() {
  ini();
}

// 初期化
function ini() {
  let array = [];
  map = [];
  count = 0;
  frame = 0;
  sorted = false;

  let length = document.getElementById('length').innerHTML;
  length = parseInt(length);


  // 配列の初期化
  for (let i = 0; i < length; i++) {
    array.push(i + 1);
  }
  array = shuffle(array);

  // 先に交換順序を計算しておく。
  sorted = selectionSort(array);
}

// 配列をシャッフル
function shuffle(array) {
  for (let i = array.length - 1; i >= 0; i--) {
    let rand = Math.floor(Math.random() * (i + 1));
    // 配列の数値を入れ替える
    [array[i], array[rand]] = [array[rand], array[i]]
  }
  return array;
}


// p5js
function setup() {
  let canvas = createCanvas(420, 400);
  canvas.parent('canvas');
  // フーレームレートを1/1secにする
  frameRate(10);
  background(color(212, 236, 234));
  // 描画を繰り返さない。
  ini();
}

let frame = 0;
function draw() {
  if (sorted && frame < map.length) {
    // canvasを更新
    background(color(212, 236, 234));

    // 描画
    let m = map[frame];
    drawRnage(m.range);
    drawBar(m.array, m.selected, m.swaped, m.swap);
    if(m.swaped){
      // 交換したターン
      document.getElementById('count').innerHTML = count > 0  ? count - 1 : 0;
      count++;
    }
    frame++;
  }
}

// 走査範囲を表示
function drawRnage(range) {
  const grid_pixel = 10;
  const margin_left = 4;

  // gray
  let left = (grid_pixel + margin_left) * range.srart + 2;
  const under = 20;
  let width = (grid_pixel + margin_left) * (range.end - range.srart + 1);
  let height = 360;

  stroke(222, 246, 244);
  fill(color(222, 246, 244));
  rect(left, under, width, height);
}

// バーを表示
function drawBar(array, selected, swaped, swap) {
  const under = 350;
  const grid_pixel = 10;
  const margin_left = 4;

  for (let i = 0; i < array.length; i++) {
    // gray
    let left = (grid_pixel + margin_left) * i + 2;
    let height = grid_pixel * array[i];

    // 枠線の色
    stroke(0, 0, 0);
    if (i === selected) {
      // 基準値の色　バーの色
      fill(color(191, 164, 65));
    }else {
      // バーの色
      fill(color(237, 235, 213));
    }
    if(swaped){
      // 交換
      if (i === swap.left) {
        // 左交換の色　バーの色
        fill(color(65, 156, 192));
      } else if (i === swap.right) {
        // 右交換の色　バーの色
        fill(color(191, 65, 155));
      }
    }
    // rect(left, top, width, height);
    rect(left, under - height, grid_pixel, height);
    fill(color(50, 50, 50));
    rect(left, under - height, grid_pixel, grid_pixel);
  }
}



// 選択ソート
function selectionSort(array) {
  let length = array.length;
  record(false, -1, -1, 0, length - 1 , array); // 初期状態

  // 3. 配列全体を交換するまでこの処理を全ての要素に繰り返す。
  for(let i = 0; i < length; i++){
    let min = i;
    let swaped = false;
    for(let j = i+1; j < length; j++){
      if(array[j] < array[min]){
        // 1. リスト内の最小値を見つける
        min = j;
        swaped = true;
      }
      record(false, min, j, i, length - 1 , array);
    }
    // 2. 現在の位置と交換する。
    swap(i, min, array);
    record(swaped, i, min, i, length - 1 , array);
  }
  record(false, -1, -1, 0, length - 1 , array); // 終了状態
  return true
}


// 配列の要素を交換する
function swap(left, right, array) {
  let tmp = array[left];
  array[left] = array[right];
  array[right] = tmp;
}

// 交換を記録する
function record(swaped, left, right, start, end, array) {
  map.push(
    {
      array: array.concat(), // コピーして渡す
      range: { // 走査範囲
        srart: start,
        end: end,
      },
      selected: right, // 比較している右側
      swaped: swaped, // 交換したか
      swap: {  // 交換記録
        left: left,
        right: right
      }
    });
}