1、演示视频
基于Java Swing的排序算法可视化器
2、项目截图
设计说明
3.1 整体架构设计
本项目采用MVC（模型-视图-控制器）的设计思想进行架构划分，将数据处理、界面展示和用户交互分离，提高代码的可维护性和扩展性：
- 模型（Model）：包括数组数据、排序算法逻辑、排序状态控制（如isSorting、isPaused），负责数据的存储和处理。
- 视图（View）：基于Java Swing的GUI组件，包括窗口、控制面板、绘图面板（SortingPanel），负责界面的展示和渲染。
- 控制器（Controller）：包括按钮的事件监听器、排序线程的管理，负责处理用户的交互操作，并协调模型和视图的交互。
3.2 关键技术点设计
3.2.1 多线程设计
为了避免排序算法的执行阻塞UI线程（导致界面卡死），项目使用独立的线程执行排序逻辑：
- 点击“开始排序”后，创建新的Thread线程执行排序算法。
- 使用AtomicBoolean类型的变量（isSorting、isPaused）控制排序状态，保证跨线程的状态可见性和原子性。
- 使用Object对象作为暂停锁（pauseLock），通过wait()和notify()方法实现线程的暂停和唤醒。
3.2.2 GUI渲染设计
自定义绘图面板（SortingPanel）继承自JPanel，重写paintComponent()方法实现柱状图的绘制：
- 根据数组长度计算每个柱状图的宽度和间距，保证布局的美观性。
- 根据当前操作的索引（currentIndex）和比较的索引（compareIndex）设置不同的颜色，实现高亮标记。
- 使用SwingUtilities.invokeLater()方法确保UI更新操作在事件调度线程（EDT）中执行，避免线程安全问题。
3.2.3 状态管理设计
使用AtomicBoolean替代普通的volatile布尔变量，保证状态修改的原子性：
- isSorting：标记是否正在排序，控制开始按钮的启用/禁用。
- isPaused：标记是否暂停排序，控制暂停/继续按钮的启用/禁用。
- isNormalComplete：使用AtomicBoolean包装，标记是否正常完成排序，避免Lambda表达式引用局部变量的编译错误。
四、算法说明
本项目支持7种常见的排序算法，以下是各算法的核心原理、时间复杂度和特点说明：
| 排序算法 | 核心原理 | 平均时间复杂度 | 最好时间复杂度 | 最坏时间复杂度 | 空间复杂度 | 稳定性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 冒泡排序 | 相邻元素两两比较，将较大的元素逐步“冒泡”到数组末尾 | O(n²) | O(n) | O(n²) | O(1) | 稳定 |
| 选择排序 | 每次选择未排序部分的最小元素，放到已排序部分的末尾 | O(n²) | O(n²) | O(n²) | O(1) | 不稳定 |
| 插入排序 | 将当前元素插入到已排序部分的合适位置，类似整理扑克牌 | O(n²) | O(n) | O(n²) | O(1) | 稳定 |
| 快速排序 | 选择基准元素，将数组分为小于基准和大于基准的两部分，递归排序 | O(n log n) | O(n log n) | O(n²) | O(log n) | 不稳定 |
| 归并排序 | 将数组分成两部分递归排序，然后合并两个有序的子数组 | O(n log n) | O(n log n) | O(n log n) | O(n) | 稳定 |
| 希尔排序 | 插入排序的改进版，按步长分组进行插入排序，逐步减小步长 | O(n log n) | O(n log² n) | O(n log² n) | O(1) | 不稳定 |
| 堆排序 | 构建大顶堆，将堆顶元素与末尾元素交换，重新堆化，重复操作 | O(n log n) | O(n log n) | O(n log n) | O(1) | 不稳定 |
4.1 算法实现共性
所有排序算法的实现都加入了以下共性逻辑，以支持可视化和交互功能：
- 在关键步骤调用checkPause()方法，检查是否需要暂停排序。
- 设置currentIndex和compareIndex标记当前操作和比较的元素，用于界面高亮。
- 调用SwingUtilities.invokeLater()刷新绘图面板，展示最新的排序状态。
- 添加Thread.sleep()方法控制排序速度，让用户能够清晰看到每一步的过程。
五、测试说明
5.1 测试环境
- 操作系统：Windows 10/11、macOS、Linux（兼容所有支持Java的系统）
- JDK版本：JDK 8及以上
- 开发工具：IntelliJ IDEA、Eclipse（可选）
5.2 测试用例
| 测试用例编号 | 测试内容 | 测试步骤 | 预期结果 |
|---|---|---|---|
| TC001 | 随机数组生成 | 1. 启动程序；2. 点击“生成随机数组”按钮 | 界面展示新的随机柱状图，无报错 |
| TC002 | 排序算法执行 | 1. 选择“冒泡排序”；2. 点击“开始排序” | 柱状图动态排序，最终有序，弹出耗时提示 |
| TC003 | 暂停功能 | 1. 开始排序；2. 点击“暂停”按钮 | 排序停止，弹出暂停提示，暂停按钮禁用，继续按钮启用 |
| TC004 | 继续功能 | 1. 暂停排序；2. 点击“继续”按钮 | 排序恢复执行，继续按钮禁用，暂停按钮启用 |
| TC005 | 重置功能（排序中） | 1. 开始排序；2. 点击“重置”按钮 | 排序中断，数组重置为随机状态，无排序完成提示 |
| TC006 | 重置功能（排序完成） | 1. 排序完成；2. 点击“重置”按钮 | 数组重置为随机状态，按钮恢复初始状态 |
| TC007 | 算法切换测试 | 1. 选择“快速排序”；2. 开始排序；3. 完成后选择“堆排序”；4. 开始排序 | 不同算法均能正常执行，展示对应的排序过程 |
5.3 测试注意事项
- 测试时需确保JDK版本为8及以上，避免语法兼容问题。
- 排序过程中频繁点击暂停/继续/重置按钮，测试线程安全和状态管理的稳定性。
- 测试不同的数组长度（修改arraySize变量），确保绘图面板的适配性。
六、关键代码
6.1 自定义绘图面板（SortingPanel）
负责柱状图的绘制和颜色高亮标记，是可视化的核心组件：
private class SortingPanel extends JPanel { @Override protected void paintComponent(Graphics g) { super.paintComponent(g); if (array == null) { return; } int barWidth = PANEL_WIDTH / arraySize; int gap = 2; int drawableWidth = barWidth - gap; for (int i = 0; i < arraySize; i++) { int barHeight = array[i]; int x = i * barWidth + gap / 2; int y = PANEL_HEIGHT - barHeight; // 设置柱形颜色 setBarColor(g, i); // 绘制柱形 g.fillRect(x, y, drawableWidth, barHeight); g.setColor(Color.BLACK); g.drawRect(x, y, drawableWidth, barHeight); } } /** * 设置柱形颜色 */ private void setBarColor(Graphics g, int index) { if (index == currentIndex) { g.setColor(Color.RED); // 操作中元素标红 } else if (index == compareIndex) { g.setColor(Color.ORANGE); // 比较中元素标橙 } else { g.setColor(Color.BLUE); // 普通元素标蓝 } } }6.2 暂停检查方法（checkPause）
实现排序线程的暂停和唤醒，是交互功能的核心逻辑：
/** * 暂停检查：在排序步骤中调用，若暂停则等待被唤醒 * @throws InterruptedException 线程中断异常 */ private void checkPause() throws InterruptedException { synchronized (pauseLock) { while (isPaused.get() && !Thread.currentThread().isInterrupted()) { pauseLock.wait(); // 暂停线程，直到被notify } } // 若线程被中断，抛出异常终止排序 if (Thread.currentThread().isInterrupted()) { throw new InterruptedException("排序被重置中断"); } }6.3 开始排序的事件监听器（StartSortListener）
处理开始排序的用户操作，管理排序线程的创建和执行：
private class StartSortListener implements ActionListener { @Override public void actionPerformed(ActionEvent e) { if (isSorting.get()) { JOptionPane.showMessageDialog(null, "正在排序中，请等待！", "提示", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE); return; } // 修复：将变量声明为final，确保Lambda可以引用 final String selectedAlgorithm = (String) algorithmComboBox.getSelectedItem(); // 修复：使用AtomicBoolean包装isNormalComplete，使其引用为final，值可修改 final AtomicBoolean isNormalComplete = new AtomicBoolean(true); // 开启新线程执行排序 sortingThread = new Thread(() -> { // 设置排序状态为true isSorting.set(true); isPaused.set(false); // 强制在UI线程更新按钮状态（关键：排序线程启动后立即刷新） SwingUtilities.invokeLater(() -> { updateButtonStates(); sortingPanel.repaint(); }); long startTime = System.currentTimeMillis(); try { // 执行选中的排序算法 switch (selectedAlgorithm) { case "冒泡排序": bubbleSort(); break; case "选择排序": selectionSort(); break; case "插入排序": insertionSort(); break; case "快速排序": quickSort(0, arraySize - 1); break; case "归并排序": mergeSort(); break; case "希尔排序": shellSort(); break; case "堆排序": heapSort(); break; default: JOptionPane.showMessageDialog(null, "暂不支持该算法！", "错误", JOptionPane.ERROR_MESSAGE); isNormalComplete.set(false); // 非算法执行，标记为非正常完成 break; } } catch (InterruptedException ex) { // 捕获中断异常（重置时触发）：标记为非正常完成 isNormalComplete.set(false); Thread.currentThread().interrupt(); // 保留中断状态 System.out.println("排序被重置中断：" + ex.getMessage()); } // 排序完成/中断后的处理：重置状态 isSorting.set(false); isPaused.set(false); sortingThread = null; resetHighlightIndex(); // 更新GUI（强制在UI线程执行） SwingUtilities.invokeLater(() -> { // 仅当正常完成时，才显示排序完成提示（核心修复：用AtomicBoolean的get方法判断） if (isNormalComplete.get()) { long endTime = System.currentTimeMillis(); JOptionPane.showMessageDialog(null, selectedAlgorithm + "完成！\n耗时：" + (endTime - startTime) + "ms", "排序完成", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE); } sortingPanel.repaint(); updateButtonStates(); }); }); // 启动线程 sortingThread.start(); } }6.4 冒泡排序实现（含可视化和暂停逻辑）
所有排序算法的实现模板，包含暂停检查、高亮标记和界面刷新：
/** * 冒泡排序（添加暂停检查） */ private void bubbleSort() throws InterruptedException { int n = array.length; for (int i = 0; i < n - 1; i++) { for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) { checkPause(); currentIndex = j; compareIndex = j + 1; SwingUtilities.invokeLater(() -> sortingPanel.repaint()); Thread.sleep(30); if (array[j] > array[j + 1]) { swap(j, j + 1); SwingUtilities.invokeLater(() -> sortingPanel.repaint()); Thread.sleep(30); } } } }
