【C++】bsearch函数的使用及二分法查找介绍

写程序的时候，肯定避免不了需要从集合中找到符合条件的元素，一般情况下，最简单也最常用的就是循环遍历元素，这种方法虽然写的简单，但是小数据量还行，但是数据过大的话，这样效率就低了。循环的时候，比如你要的数据正好在集合的最后，那就需要把前面的每一个元素都要对比一次，如果你要查找的数据，正好在前几个，那就很快找到到了。但数据这东西毕竟不是可控的。

所以，要查找，我们就要采用一点技巧和方法，在C/C++中，搜索的时候，可以使用bsearch函数来实现元素的查找，这个函数定义在头文件stdlib.h中，使用方式如下：

本文所有代码在 cygwin,gcc 11.3,gdb 11.2 中编译调试

bsearch的基本使用方法

bsearch函数的使用方法简单,函数定义如下

void* bsearch( const void *key, const void *ptr, size_t count, size_t size,
                int (*comp)(const void*, const void*) );

具体参数如下

key - 指向要查找的元素的指针 
ptr - 指向要检验的数组的指针 
count - 数组的元素数目 
size - 数组每个元素的字节数 
comp - 比较函数。若首个参数小于第二个，则返回负整数值，若首个参数大于第二个，则返回正整数值，若两参数等价，则返回零。 将 key 传给首个参数，数组中的元素传给第二个。 

comp函数的定义如下

int cmp(const void *a, const void *b);

cmp参数说明：a表示要查找的那个元素，b表示查找数组里的元素

举例如下，从数组f中查找x,如果找到就打印“找到11”，没找到就打印"没找到11"

#include 
#include   
const int x = 11;
const int f[] = { 1,3,6,9,11 };
int cmp(const void *a, const void *b) {
   int x1 = (int)(*(int*)a);
   int x2 = (int)(*(int*)b);
   printf("x1:%d\n", x1);
   printf("x2:%d\n", x2);
   if (x1 < x2) return -1;
   else if (x1 > x2) return 1;
   else return 0;
}
int main(int, char**) {
   int* c = (int*)bsearch(&x, f, 5, sizeof (int), cmp);
   if( c != NULL ) 
   {
      printf("找到%d\n",x);
   }
   else 
   {
      printf("没找到%d\n",x);
   }
   return 1;
}

输出如下

x1:11
x2:6
x1:11
x2:11
找到 11

可以看到，通过bsearch函数，从f中找到了11

但是，观察cmp函数中的两行printf代码

printf("x1:%d\n", x1);
printf("x2:%d\n", x2);

它表示打印要查找的元素，也就是上例的x,x2表示被查找的f中的某个元素，通过观察输出的结果，可以发现，虽然f数组中有{ 1,3,6,9,11 }5个元素，但实际上，比较函数并没有比较全部元素，只比较的两次就找到了11.

这就是文章开头说到的，循环遍历会降低效率，而使用bsearch会让查找速度加快，应为bsearch的查找并非遍历元素，而是采用了二分法查找,bsearch的第一个字幕b代表的就是Bisection/baɪˈsekʃən/，中文意思为“二等分"

关于二分法查找

在查找上使用二分法，是通过多次切分被查找的数组，然后和要查找的元素组做对比，具体步骤如下

假设数组为arr,要查找的元素为key,数组长度为len,进行如下操作

1.把被查找的数组长度除以2，得到的中间值mid,作为索引，去数组中取值arr[mid]

2.使用比对函数进行对比，第一步取到的arr[mid]和要查找的值key如果，返回的值小于0，也就说明要查找的值key，在数组的索引为0到mid中间。然后,修改要查找的数组起始位置，重复第一步，在0到mid中间查找

如果返回的值大于0，就说明要查找的值key，在数组的索引为mid到数组的最后一个元素之间。然后修改要查找的数组起始位置，重复第一步，在arr[mid]到最后个元素中间查找

3.重复如上2，3步,然后最终找到你要找的值

4.如果返回返回0，说明找到了，可以返回了

例如

从[1,2,3,4,5]中，找到4

1. 5/2 = 2,先找到索引是2的3
2. 因为3比4小，说明4在索引2以后
3. (2+1+5)/2 = 4, 索引4就是5 ，比4大所以，在所以在索引4以前,3以后
4. (3+4)/2 = 3，索引3就是4，找到了

以上就是使用二分法的流程

自己实现一个bsearch

void * mybsearch(const void* base, int len, int size, const void* key, int (*cmp)(const void* a, const void* b))
{
    size_t low = 0, high = len;
    while (low < high)
    {
          int mid = (low + high) / 2;
          void * p = (void *) (((const char *) base) + (mid * size));
          int comret  = (*cmp) (key,p);
          if (comret < 0)
                high = mid;
          else if (comret > 0)
                low = mid + 1;
          else
          return p;
    }
    return NULL;
}

然后还是刚才的代码

#include 
#include   
const int x = 11;
const int f[] = { 1,3,6,9,11 };
int cmp(const void *a, const void *b) {
   int x1 = (int)(*(int*)a);
   int x2 = (int)(*(int*)b);
   printf("x1:%d\n", x1);
   printf("x2:%d\n", x2);
   if (x1 < x2) return -1;
   else if (x1 > x2) return 1;
   else return 0;
}
int main(int, char**) {
   int* c = (int*)mybsearch(f,5, sizeof (int), &x, cmp);
   if( c != NULL ) 
   {
      printf("找到%d\n",x);
   }
   else 
   {
      printf("没找到%d\n",x);
   }
   return 1;
}

执行一下，看结果

x1:11
x2:6
x1:11
x2:11
找到 11

运行结果正确

知道的二分法的原理，就知道bsearch该如何使用，什么情况下，bsearch就找不到你要的元素

例如，如果把要查找的数组和要查找的元素修改为

const int x = 2;
const int f[] = { 1,3,6,9,2 };

的话，bsearch就无法从f中找到2，因为你的数组并不是单调的，按照二分法的查找方式，就找不到

所以，使用bsearch时候，如果不能确认数组是排序好的，就要先调用qsort把数组排序好，然后在使用查找

如上例，经过qsort以后，数据会排序好，然后就能正常使用bsearch了