Java實(shí)現(xiàn)二分查找BinarySearch算法
1、實(shí)現(xiàn)原理
二分查找針對(duì)的是一個(gè)有序的數(shù)據(jù)集合,每次都通過跟區(qū)間的中間元素對(duì)比,將待查找的區(qū)間縮小為之前的一半,直到找到要查找的元素,或者區(qū)間被縮小為 0。
如下是二分查找算法的查找過程,針對(duì)有序數(shù)組 int[] a={9,10,11,12,13,14,15}; ,low和high表示數(shù)組查找的區(qū)間,mid 表示查找區(qū)間的中間元素。
2、代碼實(shí)現(xiàn)
明白二分查找的原理,代碼很容易明白了。如下代碼java實(shí)現(xiàn)
/** * 簡單二分查找 * @param arr * @param value * @return */ public static int bSeaarch(int[] arr,int value){ int low=0; int high=arr.length-1; while (low<=high){ int mid=low+((high-low)>>1); if (value==arr[mid]){ return mid; }else if (value>arr[mid]){ low=mid+1; }else { high=mid-1; } } return -1; }
3、二分查找常見的變體
對(duì)于上面“值等于給定值”的二分查找在實(shí)際中用到的情況不多,二分查找更適合用在“近似”查找問題,在這類問題上,二分查找的優(yōu)勢(shì)更加明顯,比如以下幾種變體。
3.1、查找第一個(gè)值等于給定值的元素
數(shù)組 int[] a={9,10,12,12,12,13,15}; 中有重復(fù)的值,我們希望查找第一個(gè)等于 12的數(shù)據(jù),也就是下標(biāo)是 2 的元素。
/** * 查找第一個(gè)值等于給定值的元素 * @param arr * @param value * @return */ public static int bSeaarch2(int[] arr,int value){ int low=0; int high=arr.length-1; while (low<=high){ int mid=low+((high-low)>>1); //如果給定的值大于區(qū)間中間元素 if (value>arr[mid]){ low=mid+1; }else if (value<arr[mid]){ //如果給定的值大于區(qū)間中間元素 high=mid-1; }else{ //如果給定的值等于區(qū)間中間元素 //當(dāng)前中間元素為第一個(gè)或者中間元素的前一個(gè)不等于給定值,則當(dāng)前元素就是要查找第一個(gè)值 if (mid==0||arr[mid-1]!=value){ return mid; }else { high=mid-1; } } } return -1; }
3.2、查找最后一個(gè)值等于給定元素
數(shù)組 int[] a={9,10,12,12,12,13,15}; 中有重復(fù)的值,我們希望查找最后一個(gè)等于 12的數(shù)據(jù),也就是下標(biāo)是 4 的元素。
/** * 查找最后一個(gè)值等于給定元素 * @param arr * @param value * @return */ public static int bseaarch3(int[] arr,int value){ int low=0; int high=arr.length-1; while (low<=high){ int mid=low+((high-low)>>1); //如果跟定的值大于區(qū)間數(shù)組中間值,則 low=mid+1 if (value>arr[mid]){ low=mid+1; }else if (value<arr[mid]){ //如果跟定的值小于區(qū)間數(shù)組中間值,則 high=mid-1 high=mid-1; }else { //如果區(qū)間數(shù)組中間值是數(shù)組最后一個(gè)元素或者中間值的下一個(gè)元素不等于給定值,返回當(dāng)前mid索引 if ((mid==arr.length-1)||(arr[mid+1]!=value)) { return mid; }else { //繼續(xù)在下一區(qū)間查找 low=mid+1; } } } return -1; }
3.3、查找最后一個(gè)大于等于給定值的元素
數(shù)組 int[] a={9,10,12,13,14,15,16}; 中重復(fù)的值,我們希望查找最后一個(gè)大于等于12元素的索引,也就是下標(biāo)是6 。
/** * 查找第一個(gè)大于等于給定值的元素 * @param arr * @param value * @return */ public static int bsearch4(int[] arr,int value){ int low=0; int high=arr.length-1; while (low<=high){ int mid=low+((high-low)>>1); //如區(qū)間元素中間值大于等于給定元素 if (arr[mid]>=value){ // 如區(qū)間元素是數(shù)組第一個(gè)元素或者下一個(gè)元素小于給定值,則當(dāng)前索引滿足條件 if (mid==0||arr[mid-1]<value){ return mid; }else { //不滿足上面條件,繼續(xù)循環(huán) high=mid-1; } }else { low=mid+1; } } return -1; }
3.4、查找最后一個(gè)小于于等于給定值的元素
數(shù)組 int[] a={9,10,12,13,14,15,16}; 中重復(fù)的值,我們希望查找最后一個(gè)小于等于10元素的索引,也就是下標(biāo)是0 。
/** * 查找最后一個(gè)小于于等于給定值的元素 `int[] a={9,10,12,13,14,15,16} * @param arr * @param value * @return */ public static int bsearch6(int[] arr,int value){ int low=0; int high=arr.length-1; while (low<=high){ int mid=low+((high-low)>>1); if (arr[mid]>value){ high=mid-1; }else { if ((mid==arr.length-1)||(arr[mid+1]>value)) { return mid; }else { low=mid+1; } } } return -1; }
4、二分查找算法的局限性
二分查找算法需要按照下標(biāo)隨機(jī)訪問元素,所以二分查找算法依賴順序表結(jié)構(gòu),比如:數(shù)組。如果查找的數(shù)據(jù)是通過其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的(如:鏈表),則無法應(yīng)用二分查找。
二分查找算法針對(duì)數(shù)據(jù)必須是有序的。如果數(shù)據(jù)沒有序,我們需要先排序。
如果要處理的數(shù)據(jù)量很小,完全沒有必要用二分查找,順序遍歷就足夠了。
如果處理的數(shù)據(jù)量特別大,也不適合用二分查找,二分查找的底層需要依賴數(shù)組這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),而數(shù)組為了支持隨機(jī)訪問的特性,要求內(nèi)存空間連續(xù),對(duì)內(nèi)存的要求比較苛刻。比如,我們有 1GB 大小的數(shù)據(jù),如果希望用數(shù)組來存儲(chǔ),那就需要 1GB 的連續(xù)內(nèi)存空間。
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