二分查找细节详解

一篇对二分叙述很详细的文章。转载
https://leetcode-cn.com/problems/binary-search/solution/er-fen-cha-zhao-xiang-jie-by-labuladong/,侵删。

我相信对很多读者朋友来说,编写二分查找的算法代码属于玄学编程,虽然看起来很简单,就是会出错,要么会漏个等号,要么少加个 1。

不要气馁,因为二分查找其实并不简单。看看 Knuth 大佬(发明 KMP 算法的那位)怎么说的:

Although the basic idea of binary search is comparatively straightforward, the details can be surprisingly tricky…

这句话可以这样理解:思路很简单,细节是魔鬼。

本文以问答的形式,探究几个最常用的二分查找的一个场景:寻找一个数。

而且,我们就是要深入细节,比如不等号是否应该带等号,mid 是否应该加一等等。分析这些细节的差异以及出现这些差异的原因,保证你能灵活准确地写出正确的二分查找算法。

零、二分查找框架:
int binarySearch(int[] nums, int target) {
    int left = 0, right = ...;

    while(...) {
        int mid = (right + left) / 2;
        if (nums[mid] == target) {
            ...
        } else if (nums[mid] < target) {
            left = ...
        } else if (nums[mid] > target) {
            right = ...
        }
    }
    return ...;
}

分析二分查找的一个技巧是:不要出现 else,而是把所有情况用 else if 写清楚,这样可以清楚地展现所有细节。本文都会使用 else if,旨在讲清楚,读者理解后可自行简化。

其中 ...标记的部分,就是可能出现细节问题的地方,当你见到一个二分查找的代码时,首先注意这几个地方。后文用实例分析这些地方能有什么样的变化。

计算 mid 时需要技巧防止溢出,即mid = left + (right - left) / 2 。但是mid=(left+right)/2与其有相同的结果,为什么更倾向于前者呢?原因在于边界问题,我们知道INT的数据范围上界在2^32-1。当left取了该值而right取了1时,加完刚好越界,再取int值,就会变成一个负数,因此,先将right-left再处以2保证不越界。

一、寻找一个数(基本的二分搜索)

这个场景是最简单的,肯能也是大家最熟悉的,即搜索一个数,如果存在,返回其索引,否则返回 -1−1。

int binarySearch(int[] nums, int target) {
    int left = 0; 
    int right = nums.length - 1; // 注意

    while(left <= right) {
        int mid = (right + left) / 2;
        if(nums[mid] == target)
            return mid; 
        else if (nums[mid] < target)
            left = mid + 1; // 注意
        else if (nums[mid] > target)
            right = mid - 1; // 注意
        }
    return -1;
}

为什么 while 循环的条件中是 <=,而不是 < ?

答:因为初始化 right 的赋值是 nums.length - 1,即最后一个元素的索引,而不是 nums.length。

这二者可能出现在不同功能的二分查找中,区别是:前者相当于两端都闭区间 [left, right],后者相当于左闭右开区间 [left, right),因为索引大小为 nums.length 是越界的。

我们这个算法中使用的是前者 [left, right] 两端都闭的区间。这个区间其实就是每次进行搜索的区间,我们不妨称为「搜索区间」。

什么时候应该停止搜索呢?当然,找到了目标值的时候可以终止:

    if(nums[mid] == target)
        return mid; 

但如果没找到,就需要 while 循环终止,然后返回 -1。那 while 循环什么时候应该终止?搜索区间为空的时候应该终止,意味着你没得找了,就等于没找到嘛。

while(left <= right) 的终止条件是 left == right + 1,写成区间的形式就是 [right + 1, right],或者带个具体的数字进去 [3, 2],可见这时候搜索区间为空,因为没有数字既大于等于 3 又小于等于 2 的吧。所以这时候 while 循环终止是正确的,直接返回 -1 即可。

while(left < right) 的终止条件是 left == right,写成区间的形式就是 [left, right],或者带个具体的数字进去 [2, 2],这时候搜索区间非空,还有一个数 2,但此时 while 循环终止了。也就是说这区间 [2, 2] 被漏掉了,索引 2 没有被搜索,如果这时候直接返回 -1就是错误的。

为什么 left = mid + 1,right = mid - 1?我看有的代码是 right = mid 或者 left = mid,没有这些加加减减,到底怎么回事,怎么判断?

答:这也是二分查找的一个难点,不过只要你能理解前面的内容,就能够很容易判断。

刚才明确了「搜索区间」这个概念,而且本算法的搜索区间是两端都闭的,即 [left, right]。那么当我们发现索引 mid 不是要找的 target 时,如何确定下一步的搜索区间呢?

当然是 [left, mid - 1] 或者 [mid + 1, right] 对不对?因为 mid 已经搜索过,应该从搜索区间中去除。

如果没有mid-1或者+1会出现什么情况?如果数组是:[-1,0,3,5,9,12],目标是2。一开始 right = 0,left = 5 那么mid = 2,对应3,高于2,修改上界为mid,新的mid为1,对应0。比2小,修改下界,新的mid还等于1,而此时的结果仍然符合left<=right的情况。然而陷入了死循环中。因此更新掉已经不可能的mid值。

此算法有什么缺陷?

答:至此,你应该已经掌握了该算法的所有细节,以及这样处理的原因。但是,这个算法存在局限性。

比如说给你有序数组 nums = [1,2,2,2,3],target = 2,此算法返回的索引是 2,没错。但是如果我想得到 target 的左侧边界,即索引 1,或者我想得到 target 的右侧边界,即索引 3,这样的话此算法是无法处理的。

这样的需求很常见。你也许会说,找到一个 target,然后向左或向右线性搜索不行吗?可以,但是不好,因为这样难以保证二分查找对数级的复杂度了。

关于后两种问题,欢迎参考原博主文章。

作者:labuladong
链接:https://leetcode-cn.com/problems/binary-search/solution/er-fen-cha-zhao-xiang-jie-by-labuladong/
来源:力扣(LeetCode)

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