基础算法：二分查找

1. 二分查找

思想： 有序数组，从中找值

实现：

• while 循环：时间复杂度：log(n)

      public static int binarySearch01(int[] arr, int target) {
          int i = 0;
          int j = arr.length - 1;
          // <= 是因为目标值可能在 0 或 arr.length - 1 索引处
          while (i <= j) {
          	// 用移位运算防止溢出
              int mid = (i + j) >>> 1;
              if ( target < arr[mid]) {
                  j = mid - 1;
              } else if (arr[mid] < target){
                  i = mid + 1;
              } else {
                  return mid;
              }
          }
          return -1;
      }
  

  优化：把 j 只作为一个右边界，不能指向目标值

      public static int binarySearch02(int[] arr, int target) {
          int i = 0;
          int j = arr.length;
          // 这里如果使用 i <= j，会导致查找不存在的元素的时候出现死循环
          while (i < j) {
              int mid = (i + j) >>> 1;
              if (arr[mid] > target) {
                  j = mid;
              } else if (arr[mid] < target){
                  i = mid + 1;
              } else {
                  return mid;
              }
          }
          return -1;
      }
  

  分析： 往左查找的消耗是往右查找消耗的 1/2，不均衡。（因为往右查找需要比较两次 if）
  优化：平均两侧查找消耗

      public static int binarySearch04(int[] arr, int target) {
          int i = 0;
          int j = arr.length;
          while (1 < j - i) {
              int mid = (i + j) >>> 1;
              if (target < arr[mid]) {
                  j = mid;
              } else {
              	// 这里不能 + 1了，如果目标值就在中间，就找不到了
                  i = mid;
              }
          }
          if (arr[i] == target) {
              return i;
          }
          return -1;
      }
  

  利用 api 写个二分查找，找到目标值就返回索引 + 数组，找不到就插入再返回

      public static Map<Integer, int[]> binarySearch05(int[] arr, int target) {
          int i = Arrays.binarySearch(arr, target);
          Map<Integer, int[]> res = new HashMap<>();
          if (0 < i) {
              res.put(i, arr);
              return res;
          }
          int targetIndex = abs(i + 1);
          int[] arr0 = new int[arr.length + 1];
          System.arraycopy(arr, 0, arr0, 0, targetIndex);
          arr0[targetIndex] = target;
          System.arraycopy(arr, targetIndex, arr0, targetIndex + 1, arr.length - targetIndex);
          res.put(targetIndex, arr0);
          return res;
      }
  

• Arrays.binarySearch 包含多种类型的数据，这里看 int 的：
  binarySearch0 的返回值 = - 插入点 - 1
  为什么不直接返回 -插入点？答：为了防止插入点为0出现歧义

      public static int binarySearch(int[] a, int key) {
          return binarySearch0(a, 0, a.length, key);
      }
  
      private static int binarySearch0(int[] a, int fromIndex, int toIndex,
                                       int key) {
          int low = fromIndex;
          int high = toIndex - 1;
  
          while (low <= high) {
              int mid = (low + high) >>> 1;
              int midVal = a[mid];
  
              if (midVal < key)
                  low = mid + 1;
              else if (midVal > key)
                  high = mid - 1;
              else
                  return mid; // key found
          }
          return -(low + 1);  // key not found.
      }
  

• 二分查找返回最左/最右的索引（相同元素情况）

      /**
       * @Desc falg = -1 返回最左索引，flag = 1 返回最右索引
       */
      public static int binarySearchLeftOrRight(int[] arr, int target, int flag) {
          int i = 0;
          int j = arr.length - 1;
          int index = -1;
          while (i <= j) {
              int mid = (i + j) >>> 1;
              if (target < arr[mid]) {
                  j = mid - 1;
              } else if (arr[mid] < target) {
                  i = mid + 1;
              } else {
                  index = mid;
                  if (1 == flag) {
                      i = mid + 1;
                  } else {
                      j = mid - 1;
                  }
              }
          }
          return index;
      }
  

• 优化： 二分查找返回最左/最右的索引（相同元素情况）

      /**
       * @param flag  = -1 返回最左索引， = 1 返回最右索引
       * @return int 存在，返回对应索引，不存在，返回 - 插入点 - 1
       */
      public static int binarySearchLeftOrRight(int[] arr, int target, int flag) {
          int i = 0;
          int j = arr.length - 1;
          while (i <= j) {
              int mid = (i + j) >>> 1;
              if (flag == 1 ? target < arr[mid] : target <= arr[mid]) {
                  j = mid - 1;
              } else {
                  i = mid + 1;
              }
          }
          int index = flag == 1 ? i - 1 : i;
          if (target == arr[index]) {
              return index;
          } 
          return - index - 1;
      }
  

2. 补充：二进制运算

2.1 十进制与二进制的相互转换

2.1.1 十进制转二进制

• 方法：短除法
  • 整数：
    逆序排列
    
  • 小数：
    顺序排列
    原则： 一直转换到小数部分清零为止
    

思考： 有些小数部分是无法清零的该怎么处理？
这时候就要引入误差/精度了，比如说：0.33转换成二进制，误差小于1‰，那么我假设转换后的结果为 x，那么要求就是： |x - 0.33| < 1‰，即 0.319 < x < 0.331。
那么如何快速计算出结果呢？
进制转换工具

所以 x 取 0.0101010001 就OK了
验证一下：

没问题。

2.1.2 二进制转十进制

• 整数：10101101 → 173
  向右减权

  1*2^7 + 0*2^6 + 1*2^5 + 0*2^4 + 1*2^3 + 1*2^2 + 0*2^1 + 1*2^0
  

• 小数：0.1101 → 0.8125
  向右减权

  1*2^-1 + 1*2^-2 + 0*2^-3 + 1+2^-4
  

2.2 机器数 真值

机器数： 数字在计算机中的二进制表示形式。在计算机中，数字以二进制形式存储和处理。机器数的最高位是符号位，用于表示数字的正负。正数的符号位为0，负数的符号位为1。机器数的大小受到计算机字长的限制，字长决定了机器数的表示范围。

// 不同位的计算机中表示 5
00000101   																# 8位
00000000 00000000 00000000 00000101  									# 32位
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101	# 64位

64位计算机能一次读8byte，32位能一次读 4byte，可通过 cmd 输入 systeminfo 查看计算机参数
比如某机器的机器数大小是 2 byte，那么它存储数字 5 的机器数就是：0000 0101，最左边的 0 表示正数，其表示 -5 的机器数就是 1000 0101

真值： 带符号位的机器数对应的真正数值，可以通过将机器数转换为十进制数来获得。

比如：机器数 1000 0101 的真值是 -5，0000 0101 的真值是 5。

2.3 原码 补码 反码

原码： 最高位表示符号位，其余位表示数值的绝对值，和机器数一个意思。

反码： 正数的反码和原码相同，负数的反码是在其原码的基础上，符号位不变，其余各位取反。

比如：正数+5的反码和原码都是00000101，负数-5的反码是11111010 。

补码： 正数的补码和原码相同，负数的补码是在其反码的基础上加1。

比如：正数+5的补码和原码都是00000101，负数-5的补码是11111011。

小结一下：对于正数：原码 = 反码 = 补码；对于负数：反码 = 原码标志位不变，其余取反（1变成0，0变成1），补码 = 反码 + 1。

补充：负数的补码转原码

• 先取反
• 然后 + 1

2.4 二进制的加减乘除

加法： 正数 + 负数 我们放到减法里面说

• 方法：从右往左加，逢二进一
  

减法：

• 方法：都换成补码，然后相加，相加的结果就是答案
  
  因为我们是在 8 位二进制里面做加减，所以超出（溢出）的 1 要舍去

乘法：

• 正数：与十进制一样，按位相乘，然后相加
• 负数：摘掉标志位，然后相乘，最后根据两个符号位来判断正负

除法：

• 正数：正数：与十进制一样，按位相除（如果被除数的最高位小于除数的最高位，则除法运算结束。被除数的剩余位数即为余数）
• 负数：负数取补码，然后相除
  注意：进制负数除法的结果可能是有限的，也可能是无限循环的。在实际计算中，可能需要根据具体情况进行舍入或截断

2.5 移位运算

二进制移位运算：

• << 左移：将一个数的二进制表示向左移动指定的位数，右侧用0填充
  
  可以把 << 看做是 *2 操作
• >> 右移：将一个数的二进制表示向右移动指定的位数，正数高位用0填充，负数高位用1填充
  
  可以把 >> 看做是 /2 操作，一直右移，正数会变成 0，负数会变成 -1（为了保证它是负数，所以会补个 1）
• >>> 无符号右移位，不管正数还是负数，高位都用0补齐

注意事项1： 在做移位运算的时候要考虑当前类型的大小，如下：

声明一个 int 整型 -11、11
-11（int） >>> 2 : 
	原二进制:11111111111111111111111111110101
	 二进制: 111111111111111111111111111101
	 十进制: 1073741821

11（int）  << 31 : 
	原二进制: 1011
	  二进制: 10000000000000000000000000000000
	  十进制: -2147483648
11（int）  << 32 : 
	原二进制: 1011
	  二进制: 1011
	  十进制: 11

注意事项2： Java 中会将最高位看做符号位！，所以当数值 > 2^31 的时候，最高位会被当做符号位 1，从而编程负数。

   public static void main(String[] args) {
       int i = (int) pow(2, 31);
       int j = 1;
       System.out.println(i);
       System.out.println(Integer.toBinaryString(i));
       System.out.println(i + j);
       System.out.println(Integer.toBinaryString(i + j));
       System.out.println( (i + j) / 2 );
       System.out.println( (i + j) >>> 1);
   }