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comments: true
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# 10.1. 二分查找
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「二分查找 Binary Search」是一种基于分治思想的高效搜索算法。它利用数据的有序性,每轮减少一半搜索范围,直至找到目标元素或搜索区间为空为止。
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!!! question
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给定一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,元素按从小到大的顺序排列,数组不包含重复元素。请查找并返回元素 `target` 在该数组中的索引。若数组不包含该元素,则返回 $-1$ 。
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![二分查找示例数据](binary_search.assets/binary_search_example.png)
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<p align="center"> 图:二分查找示例数据 </p>
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对于上述问题,我们先初始化指针 $i = 0$ 和 $j = n - 1$ ,分别指向数组首元素和尾元素,代表搜索区间 $[0, n - 1]$ 。请注意,中括号表示闭区间,其包含边界值本身。
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接下来,循环执行以下两个步骤:
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1. 计算中点索引 $m = \lfloor {(i + j) / 2} \rfloor$ ,其中 $\lfloor \space \rfloor$ 表示向下取整操作。
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2. 判断 `nums[m]` 和 `target` 的大小关系,分为三种情况:
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1. 当 `nums[m] < target` 时,说明 `target` 在区间 $[m + 1, j]$ 中,因此执行 $i = m + 1$ 。
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2. 当 `nums[m] > target` 时,说明 `target` 在区间 $[i, m - 1]$ 中,因此执行 $j = m - 1$ 。
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3. 当 `nums[m] = target` 时,说明找到 `target` ,因此返回索引 $m$ 。
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若数组不包含目标元素,搜索区间最终会缩小为空。此时返回 $-1$ 。
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=== "<1>"
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![binary_search_step1](binary_search.assets/binary_search_step1.png)
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=== "<2>"
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![binary_search_step2](binary_search.assets/binary_search_step2.png)
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=== "<3>"
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![binary_search_step3](binary_search.assets/binary_search_step3.png)
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=== "<4>"
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![binary_search_step4](binary_search.assets/binary_search_step4.png)
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=== "<5>"
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![binary_search_step5](binary_search.assets/binary_search_step5.png)
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=== "<6>"
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![binary_search_step6](binary_search.assets/binary_search_step6.png)
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=== "<7>"
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![binary_search_step7](binary_search.assets/binary_search_step7.png)
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<p align="center"> 图:binary_search_step1 </p>
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值得注意的是,由于 $i$ 和 $j$ 都是 `int` 类型,**因此 $i + j$ 可能会超出 `int` 类型的取值范围**。为了避免大数越界,我们通常采用公式 $m = \lfloor {i + (j - i) / 2} \rfloor$ 来计算中点。
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=== "Java"
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```java title="binary_search.java"
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|
/* 二分查找(双闭区间) */
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|
int binarySearch(int[] nums, int target) {
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|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
int i = 0, j = nums.length - 1;
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|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
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while (i <= j) {
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int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
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if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
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|
i = m + 1;
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else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
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j = m - 1;
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|
else // 找到目标元素,返回其索引
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|
return m;
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}
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// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
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}
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```
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|
=== "C++"
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|
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|
```cpp title="binary_search.cpp"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
int binarySearch(vector<int> &nums, int target) {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
int i = 0, j = nums.size() - 1;
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|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
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|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
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|
j = m - 1;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
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|
}
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|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
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|
}
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|
```
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|
|
=== "Python"
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|
|
```python title="binary_search.py"
|
|
|
def binary_search(nums: list[int], target: int) -> int:
|
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|
"""二分查找(双闭区间)"""
|
|
|
# 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
i, j = 0, len(nums) - 1
|
|
|
# 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
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while i <= j:
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# 理论上 Python 的数字可以无限大(取决于内存大小),无需考虑大数越界问题
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m = (i + j) // 2 # 计算中点索引 m
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if nums[m] < target:
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i = m + 1 # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
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|
elif nums[m] > target:
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j = m - 1 # 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
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|
else:
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return m # 找到目标元素,返回其索引
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return -1 # 未找到目标元素,返回 -1
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```
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|
=== "Go"
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|
|
|
```go title="binary_search.go"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
func binarySearch(nums []int, target int) int {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
i, j := 0, len(nums)-1
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
for i <= j {
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|
m := i + (j-i)/2 // 计算中点索引 m
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if nums[m] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
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|
|
i = m + 1
|
|
|
} else if nums[m] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
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|
j = m - 1
|
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|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m
|
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}
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|
}
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|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1
|
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|
}
|
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|
```
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|
|
|
|
=== "JS"
|
|
|
|
|
|
```javascript title="binary_search.js"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
function binarySearch(nums, target) {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
let i = 0,
|
|
|
j = nums.length - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
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|
// 计算中点索引 m ,使用 parseInt() 向下取整
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|
|
const m = parseInt(i + (j - i) / 2);
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|
|
if (nums[m] < target)
|
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|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target)
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
else return m; // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TS"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="binary_search.ts"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
function binarySearch(nums: number[], target: number): number {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
let i = 0,
|
|
|
j = nums.length - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
// 计算中点索引 m
|
|
|
const m = Math.floor(i + (j - i) / 2);
|
|
|
if (nums[m] < target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums[m] > target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
} else {
|
|
|
// 找到目标元素,返回其索引
|
|
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return m;
|
|
|
}
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|
|
}
|
|
|
return -1; // 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
}
|
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|
```
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|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="binary_search.c"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
int binarySearch(int *nums, int len, int target) {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
int i = 0, j = len - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="binary_search.cs"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
int binarySearch(int[] nums, int target) {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
int i = 0, j = nums.Length - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="binary_search.swift"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
func binarySearch(nums: [Int], target: Int) -> Int {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
var i = 0
|
|
|
var j = nums.count - 1
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while i <= j {
|
|
|
let m = i + (j - i) / 2 // 计算中点索引 m
|
|
|
if nums[m] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1
|
|
|
} else if nums[m] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Zig"
|
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|
|
|
```zig title="binary_search.zig"
|
|
|
// 二分查找(双闭区间)
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|
|
fn binarySearch(comptime T: type, nums: std.ArrayList(T), target: T) T {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
var i: usize = 0;
|
|
|
var j: usize = nums.items.len - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
var m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums.items[m] < target) { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums.items[m] > target) { // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return @intCast(m);
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Dart"
|
|
|
|
|
|
```dart title="binary_search.dart"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
int binarySearch(List<int> nums, int target) {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
int i = 0, j = nums.length - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) ~/ 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums[m] > target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
} else {
|
|
|
// 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Rust"
|
|
|
|
|
|
```rust title="binary_search.rs"
|
|
|
/* 二分查找(双闭区间) */
|
|
|
fn binary_search(nums: &[i32], target: i32) -> i32 {
|
|
|
// 初始化双闭区间 [0, n-1] ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素
|
|
|
let mut i = 0;
|
|
|
let mut j = nums.len() as i32 - 1;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i > j 时为空)
|
|
|
while i <= j {
|
|
|
let m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if nums[m as usize] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if nums[m as usize] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
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|
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|
时间复杂度为 $O(\log n)$ 。每轮缩小一半区间,因此二分循环次数为 $\log_2 n$ 。
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|
|
空间复杂度为 $O(1)$ 。指针 `i` , `j` 使用常数大小空间。
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|
## 10.1.1. 区间表示方法
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除了上述的双闭区间外,常见的区间表示还有“左闭右开”区间,定义为 $[0, n)$ ,即左边界包含自身,右边界不包含自身。在该表示下,区间 $[i, j]$ 在 $i = j$ 时为空。
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|
我们可以基于该表示实现具有相同功能的二分查找算法。
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|
=== "Java"
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|
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|
|
```java title="binary_search.java"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
int binarySearchLCRO(int[] nums, int target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
int i = 0, j = nums.length;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
|
|
```cpp title="binary_search.cpp"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
int binarySearchLCRO(vector<int> &nums, int target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
int i = 0, j = nums.size();
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="binary_search.py"
|
|
|
def binary_search_lcro(nums: list[int], target: int) -> int:
|
|
|
"""二分查找(左闭右开)"""
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# 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
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i, j = 0, len(nums)
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|
# 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
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while i < j:
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m = (i + j) // 2 # 计算中点索引 m
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if nums[m] < target:
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|
i = m + 1 # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
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elif nums[m] > target:
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j = m # 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
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else:
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return m # 找到目标元素,返回其索引
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return -1 # 未找到目标元素,返回 -1
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```
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=== "Go"
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```go title="binary_search.go"
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|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
func binarySearchLCRO(nums []int, target int) int {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
i, j := 0, len(nums)
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
for i < j {
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m := i + (j-i)/2 // 计算中点索引 m
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if nums[m] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
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|
|
i = m + 1
|
|
|
} else if nums[m] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
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|
j = m
|
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|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m
|
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}
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|
}
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// 未找到目标元素,返回 -1
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return -1
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|
}
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```
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=== "JS"
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```javascript title="binary_search.js"
|
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|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
function binarySearchLCRO(nums, target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
let i = 0,
|
|
|
j = nums.length;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
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while (i < j) {
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|
// 计算中点索引 m ,使用 parseInt() 向下取整
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const m = parseInt(i + (j - i) / 2);
|
|
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if (nums[m] < target)
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|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
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|
i = m + 1;
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|
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else if (nums[m] > target)
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
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|
// 找到目标元素,返回其索引
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|
else return m;
|
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|
}
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|
// 未找到目标元素,返回 -1
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|
|
return -1;
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|
}
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|
```
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|
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|
|
=== "TS"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="binary_search.ts"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
function binarySearchLCRO(nums: number[], target: number): number {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
let i = 0,
|
|
|
j = nums.length;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
// 计算中点索引 m
|
|
|
const m = Math.floor(i + (j - i) / 2);
|
|
|
if (nums[m] < target) {
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|
|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums[m] > target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
} else {
|
|
|
// 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
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|
}
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|
}
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|
|
return -1; // 未找到目标元素,返回 -1
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|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="binary_search.c"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
int binarySearchLCRO(int *nums, int len, int target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
int i = 0, j = len;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="binary_search.cs"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
int binarySearchLCRO(int[] nums, int target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
int i = 0, j = nums.Length;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
else if (nums[m] > target) // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
else // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="binary_search.swift"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
func binarySearchLCRO(nums: [Int], target: Int) -> Int {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
var i = 0
|
|
|
var j = nums.count
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while i < j {
|
|
|
let m = i + (j - i) / 2 // 计算中点索引 m
|
|
|
if nums[m] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1
|
|
|
} else if nums[m] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
|
|
|
=== "Zig"
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|
|
|
|
|
```zig title="binary_search.zig"
|
|
|
// 二分查找(左闭右开)
|
|
|
fn binarySearchLCRO(comptime T: type, nums: std.ArrayList(T), target: T) T {
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|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
var i: usize = 0;
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|
|
var j: usize = nums.items.len;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i <= j) {
|
|
|
var m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums.items[m] < target) { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums.items[m] > target) { // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return @intCast(m);
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|
|
}
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|
|
}
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|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
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|
|
```
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|
|
|
|
=== "Dart"
|
|
|
|
|
|
```dart title="binary_search.dart"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开区间) */
|
|
|
int binarySearchLCRO(List<int> nums, int target) {
|
|
|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
int i = 0, j = nums.length;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while (i < j) {
|
|
|
int m = i + (j - i) ~/ 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if (nums[m] < target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if (nums[m] > target) {
|
|
|
// 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m;
|
|
|
} else {
|
|
|
// 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
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|
}
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|
|
```
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|
|
=== "Rust"
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|
```rust title="binary_search.rs"
|
|
|
/* 二分查找(左闭右开) */
|
|
|
fn binary_search_lcro(nums: &[i32], target: i32) -> i32 {
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|
// 初始化左闭右开 [0, n) ,即 i, j 分别指向数组首元素、尾元素+1
|
|
|
let mut i = 0;
|
|
|
let mut j = nums.len() as i32;
|
|
|
// 循环,当搜索区间为空时跳出(当 i = j 时为空)
|
|
|
while i < j {
|
|
|
let m = i + (j - i) / 2; // 计算中点索引 m
|
|
|
if nums[m as usize] < target { // 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
|
|
|
i = m + 1;
|
|
|
} else if nums[m as usize] > target { // 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
|
|
|
j = m - 1;
|
|
|
} else { // 找到目标元素,返回其索引
|
|
|
return m;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
// 未找到目标元素,返回 -1
|
|
|
return -1;
|
|
|
}
|
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|
```
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如下图所示,在两种区间表示下,二分查找算法的初始化、循环条件和缩小区间操作皆有所不同。
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在“双闭区间”表示法中,由于左右边界都被定义为闭区间,因此指针 $i$ 和 $j$ 缩小区间操作也是对称的。这样更不容易出错。因此,**我们通常采用“双闭区间”的写法**。
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![两种区间定义](binary_search.assets/binary_search_ranges.png)
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<p align="center"> 图:两种区间定义 </p>
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## 10.1.2. 优点与局限性
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二分查找在时间和空间方面都有较好的性能:
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- 二分查找的时间效率高。在大数据量下,对数阶的时间复杂度具有显著优势。例如,当数据大小 $n = 2^{20}$ 时,线性查找需要 $2^{20} = 1048576$ 轮循环,而二分查找仅需 $\log_2 2^{20} = 20$ 轮循环。
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- 二分查找无需额外空间。相较于需要借助额外空间的搜索算法(例如哈希查找),二分查找更加节省空间。
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然而,二分查找并非适用于所有情况,原因如下:
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- 二分查找仅适用于有序数据。若输入数据无序,为了使用二分查找而专门进行排序,得不偿失。因为排序算法的时间复杂度通常为 $O(n \log n)$ ,比线性查找和二分查找都更高。对于频繁插入元素的场景,为保持数组有序性,需要将元素插入到特定位置,时间复杂度为 $O(n)$ ,也是非常昂贵的。
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- 二分查找仅适用于数组。二分查找需要跳跃式(非连续地)访问元素,而在链表中执行跳跃式访问的效率较低,因此不适合应用在链表或基于链表实现的数据结构。
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- 小数据量下,线性查找性能更佳。在线性查找中,每轮只需要 1 次判断操作;而在二分查找中,需要 1 次加法、1 次除法、1 ~ 3 次判断操作、1 次加法(减法),共 4 ~ 6 个单元操作;因此,当数据量 $n$ 较小时,线性查找反而比二分查找更快。
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