静态查找操作

Posted 2021-02-21 wangzheming35

在日常生活中，几乎每天都要进行一些查找的工作，在电话簿中查阅某个人的电话号码；在电脑的文件夹中查找某个具体的文件等等。

查找：在数据集合中寻找满足某种条件的数据元素的过程称为查找

一、查找表

查找表：用于查找的数据集合称为查找表

在查找表中只做查找操作，而不改动表中数据元素，称此类查找表为静态查找表；

反之，在查找表中做查找操作的同时进行插入数据或者删除数据的操作，称此类表为动态查找表。

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记忆一个专属名词—— 关键字

在查找表查找某个特定元素时，前提是需要知道这个元素的一些属性。例如，每个人上学的时候都会有自己唯一的学号，因为你的姓名、年龄都有可能和其他人是重复的，唯独学号不会重复。而学生具有的这些属性（学号、姓名、年龄等）都可以称为关键字。

关键字又细分为主关键字和次关键字。若某个关键字可以唯一地识别一个数据元素时，称这个关键字为主关键字，例如学生的学号就具有唯一性；反之，像学生姓名、年龄这类的关键字，由于不具有唯一性，称为次关键字。

二、顺序查找

顺序查找(又称线性查找)，主要用于在线性表中进行查找。从查找表的一端开始，顺序扫描查找表，依次将扫描到的关键字和待查找的值key进行比较。如果相等，则查找成功。如果扫描结束仍然没有发现相等的数据元素，则查找失败。

1、Java代码实现

import java.util.Scanner;

public class SequentialSearch {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {49,38,65,97,76,13,27,49,78,34,12,64,5,4,62};
        System.out.println("输入要查询的数字");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int input = sc.nextInt();
        sequentialSearch(a,input);
    }

    private static void sequentialSearch(int[] a, int input) {
        for (int i = 0; i <a.length ; i++) {      //索引0处开始查找
            if (a[i]==input) {
                System.out.println(input+"的位置是"+i);
                break;
            }
            if (i==a.length-1)  //元素不存在
                System.out.println("no here");;
        }
    }
}

2、性能分析（了解即可）

查找操作的性能分析主要考虑其时间复杂度，而整个查找过程其实大部分时间花费在关键字和查找表中的数据进行比较上。

所以查找算法衡量好坏的依据为：查找成功时，查找的关键字和查找表中的数据元素中进行过比较的个数的平均值，称为平均查找长度（Average Search Length，用ASL 表示）。

例如，对于具有 n 个数据元素的查找表，查找成功的平均查找长度的计算公式为：

Pi 为第 i 个数据元素被查找的概率，所有元素被查找的概率的和为 1；Ci 表示在查找到第 i 个数据元素之前已进行过比较的次数。若表中有 n 个数据元素，查找第一个元素时需要比较 n 次；查找最后一个元素时需要比较 1 次，所以有 Ci = n – i + 1 。

一般情况，表中各数据元素被查找的概率是未知的。假设含有 n 个数据元素的查找表中，各数据被查找的概率是相同的，则：

换算后，得：

如果对于查找表中各个数据元素有可能被查找的概率提前已知，就应该根据其查找概率的大小对查找表中的数据元素进行适当的调整：被查找概率越大，离查找出发点 i 越近；反之，越远。这样可以适当的减少查找操作中的比较次数。

上边的平均查找长度是在假设查找算法每次都成功的前提下得出的。而对于查找算法来说，查找成功和查找失败的概率是相同的。所以，查找算法的平均查找长度应该为查找成功时的平均查找长度加上查找失败时的平均查找长度。

对于含有 n 个数据的表来说，每次查找失败，比较的次数都是 n+1。所以查找算法的平均查找长度的计算公式为：

3、顺序查找特性

优点：算法简单，且对顺序结构或链表结构均适用。

缺点：ASL太大，时间效率太低 O(n)。

三、折半查找

折半查找由称二分查找仅适用于有序的顺序表，最形象的一个例子猜数字游戏，取1-100，认定一个数字来猜，大了则往小猜，小了则往大猜，为了效率，我们一般第一个数字就会取中猜50，并以此类推下去。

1、Java代码实现

import java.util.Scanner;

public class BinarySearch {
    public static void main(String[] args) {
        BinarySearch bs = new BinarySearch();
        //有序的顺序表
        int[] a = {1,3,6,9,12,23,33,44,45,67,78,98,100,111,123};
        System.out.println("输入要查询的数字");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int input = sc.nextInt();
        int res = bs.binarySearch(a,input);
        System.out.println("res="+res);
    }

    private static int binarySearch(int[] a, int input) {
        int low = 0;
        int high = a.length-1;
        int mid;
        while (low<=high) {
            mid = (low+high)/2;
            //如果要查找的元素input小于中间位置的元素mid，指向数组的较大端的high索引重新指向中间索引mid的左边（mid-1）
            if (input<a[mid]) {
                high = mid-1;
            }
            //如果要查找的元素input大于中间位置的元素mid，指向数组的较小端的low索引重新指向中间索引mid的右边（mid+1）
            if (input>a[mid]) {
                low = mid+1;
            }
            if (input==a[mid]) {
                return mid;
            }
        }
        //不存在
        System.out.println("no here");
        return -1;
    }
}

2、折半查找特性

时间复杂度为O(logn)

仅适用于有序的顺序表

3、求ASL的题目

求下图中该树等概率查找的情况下查找成功和失败的ASL

关键字	25	10	30	2	15	28	35	3	20	29	40
比较次数	1	2	2	3	3	3	3	4	4	4	4

此处：-l 表示左孩子 -r表示右孩子

失败位置	2-l	15-l	28-l	35-l	3-l-r	20-l-r	29-l-r	40-l-r
比较次数	3	3	3	3	4×2	4×2	4×2	4×2

四、分块查找（学习一下）

又称索引顺序查找

流程：

• 先选取各块中的最大关键字构成一个索引表；
• 查找分两个部分：先对索引表进行二分查找或顺序查找，以确定待查记录在哪一块中；然后，在已确定的块中用顺序法进行查找。

1、Java代码实现

public class BlockSearch {
    public static void main(String[] args) {
        int[] index = {22,48,86};
        int[] arr = {22, 12, 13, 8, 9, 20, 33, 42, 44, 38, 24, 48, 60, 58, 74, 49, 86, 53};
        System.out.println(blockSearch(index,arr,44,6));
    }

    /**
     *
     * @param index 索引数组
     * @param arr 待查找数组
     * @param find  要查找的元素
     * @param M 每个分块的大小
     * @return 第几块
     */
    private static int blockSearch(int[] index, int[] arr, int find, int M) {
        //sequentialSearch函数返回值为带查找元素在第几块
        int i =  shunxuSearch(index,find);
        System.out.println("在第"+i+"块");
        if (i>=0) {
            //j为第i块的第一个元素下标
            int j = M*i;
            //N为每个分块的长度
            for (int N = (i+1)*M;j<N;j++) {
                if (arr[j]==find) {
                    return j;
                }
            }
        }
        return -1;
    }

    /**
     *
     * @param index 索引数组
     * @param find 要查找的元素
     * @return 被查元素所在位置的索引
     */
    private static int shunxuSearch(int[]index,int find){
        //如果第一块中最大元素大于待查找元素
        if(index[0]>find){
            //返回0.即待查找元素在第0块
            return 0;
        }
        int i=1;
        while((index[i-1]<find)&&(index[i]>find))
            return i;
        return -1;
    }
}

2、分块查找特性

分块查找性能介于顺序查找和折半查找之间

特点：块间有序，块内无序

查找：块间折半，块内线性

五、C语言核心代码

代码学习于王道数据结构，仅供参考。

1、顺序查找

int Search1(int a[ ],int n,int key){
    for(int i=1;i<=n;i++){  //注意从1开始
          if(a[i]==key)return i; //查找成功
    }
    return 0; //查找失败
}

int Search2(int a[ ],int n,int key){
     int i=n;
     a[0]=key; //设置“哨兵”
     while(a[i]!=key){ //如果不是要找的元素
            i--;  //从后往前找
      }
      return i; //如果查找失败也会返回0
}

2、折半查找

int Binary_Search(SeqList L,ElemType key,int n){
	int low=0,high=n-1,mid; 
               while(low<=high){
                              mid=(low+high)/2; 		
		if(L.elem[mid]==key)            
			return  mid;		
		else if(L.elem[mid]>key)       
			high=mid-1;		
		else      low=mid+1;	
	}
	return  -1;
}

仅适用于有序的顺序表