二分查找算法的升级版

Posted 2021-02-14 cherish010

二分查找针对的是一个有序的数据集合，查找思想有点类似分治思想。每次都通过跟区间的中间元素对比，将待查找的区间缩小为之前的一半，直到找到要查找的元素，或者区间被缩小为0。

时间复杂度：O(logn)

一、二分查找容易出错的3个地方：
　　1、循环退出条件

　　　　注意是low <= high.

　　2、mid的取值

　　　　mid = （low + high）>>2 这种写法有问题，因为如果low和high比较大的话，两者之和就有可能溢出。因为改进的方法mid = low + ((high - low )>>2).

　　3、low和high的更新

　　　　low = mid + 1,high  = mid -1.如果直接写成low = mid或者high = mid，就可能发生死循环。

二、二分查找的几种变体的代码实现

　　最简单的情况：有序数组中不存在重复元素

　　循环：

public static int binarySearch(int[] nums, int value) {
        if(nums == null) {
            return -1;
        }
        int length = nums.length;
        int low = 0;
        int high = length -1;
        while(low <= high) {
            int mid = low + ((high -low)>>2);//为什么不 (low + high)>>2 当low和high 很大时，防止溢出
            if(value == nums[mid]) {
                return mid;
            }else if (value < nums[mid]) {
                high = mid -1;
            }else {
                low = mid + 1;
            }
        }
        return -1;
    }

　　递归：

public int bsearch(int[] nums, int value) {
        return binarySearchRecursion(nums, 0, nums.length -1 , value);
    }
    public static int binarySearchRecursion(int[] nums, int start, int end, int x) {
        if(start > end){//空表
            return -1;
        }
        int mid = (start + end)/2;
        if(x == nums[mid]) {
            return mid;
        }else if(x < nums[mid]) {
            return binarySearchRecursion(nums, start, mid - 1, x);
        }else {
            return binarySearchRecursion(nums, mid + 1, end, x);
        }
    }

　　变体一：找出第一个等于给定值的元素

public static int binarySearch1(int[] nums, int value) {
        if(nums == null) {
            return -1;
        }
        int length = nums.length;
        int low = 0;
        int high = length -1;
        while (low <= high) {
            int mid  = low + ((high - low)>>2);
            if (value < nums[mid]) {
                high = mid -1;
            }else if(value > nums[mid]) {
                low = mid + 1;
            }else {
                if(mid == 0 || nums[mid - 1] != value) {
                    return mid;
                }
                high = mid -1;
            }
        }
        return -1;
    }

　　变体二：找出最后一个等于给定值的元素

public static int binarySearch2(int[] nums, int value) {
        if(nums == null) {
            return -1;
        }
        int length = nums.length;
        int low = 0;
        int high = length - 1;
        while(low <= high) {
            int mid = low + ((high - low)>>2);
            if(value < nums[mid]) {
                high = mid -1;
            }else if(value > nums[mid]) {
                low  = mid + 1;
            }else {
                if(mid == length -1 || nums[mid + 1] != value) {
                    return mid;
                }
                low = mid + 1;
            }
        }
        return -1;
    }

　　变体三：查找第一个大于等于给定值的元素

public static int binarySearch3(int[] nums, int value) {
        if(nums == null) {
            return -1;
        }
        int length = nums.length;
        int low = 0;
        int high = length - 1;
        while(low <= high) {
            int mid = low + ((high - low)>>2);
            if(value >= nums[mid]) {
                if(mid == 0 || nums[mid -1] < value) {
                    return mid;
                }
                low = mid + 1;
            }else {
                high = mid -1;
            }
        }
        return -1;
    }
    

　　变体四：查找最后一个小于等于给定值的元素

public static int binarySearch4(int[] nums, int value) {
        if(nums == null) {
            return -1;
        }
        int length = nums.length;
        int low = 0;
        int high = length - 1;
        while(low <= high) {
            int mid = low + ((high - low)>>2);
            if(value <= nums[mid]) {
                if(mid == high - 1 || nums[mid + 1] > value) {
                    return mid;
                }
                high = mid - 1;
            }else {
                low = mid + 1;
            }
        }
        return -1;
    }

三、二分查找应用场景的局限性

　　1、二分查找依赖的是顺序表结构，简单点就是数组

    　　 二分查找只能用在插入、删除操作不频繁，一次排序多次查找的场景中。针对动态变化的数据集合，二分查找不再适用。

　　2、二分查找针对的是有序数据

　　     二分查找算法需要按照下标随机访问元素。下表随机访问数据的时间复杂度是O（1），而链表随机访问的时间复杂度是O(n),所以数据如果使用链表存储，二分查找的时间复杂度就会变得很高。

　　3、数据量太小不适合二分查找

　　　 如果数据量很小，完全没有必要二分查找，直接遍历就足够了，但有一个例外，如果数据之间的比较操作非常耗时，不管数据量大小，都推荐用二分查找。比如：数组中存储的都是长度为300的字符串，比较如此长的两个字符　　　　串，非常耗时，我们尽可能减少比较次数，减少比较次数会提高性能，这时二分查找比顺序遍历更有优势。

　　4、数据量太大也不适合二分查找

　　　 二分查找底层依赖的是数组这种数据结构，数组存储需要连续的内存空间，对内存的要求比较苛刻。当太大的数据用数组存储比较吃力，就不能用二分查找了。