大话数据结构-查找-有序表查找

注：本文同步发布于稀土掘金。

3 有序表查找

3.1 折半查找

折半查找（Binary Search）技术，又称为二分查找，它的前提是线性表中的记录必须是关键码有序（通常从小到大有序），线性表必须采用顺序存储。

折半查找的基本思想是：在有序表中，取中间记录作为比较对象，若给定值与中间记录的关键字相等，则查找成功；若给定值小于中间记录的关键字，则在中间记录的左半区继续查找；若给定值大于中间记录的关键字，则在中间记录的右半区继续查找。不断重复上述过程，直到查找成功，或所有查找区域无记录，查找失败为止。

代码有多种实现方式，以下是示例：

/**
 * Binary Search
 *
 * @author Korbin
 * @date 2023-04-19 17:57:03
 **/
public class BinarySearch<T extends Comparable<T>> {

    /**
     * binary search
     * <p>
     * return index in data if searched, else return -1
     *
     * @param data array to search
     * @param key  key to search
     * @return index of key in data
     * @author Korbin
     * @date 2023-04-19 18:30:33
     **/
    public int binarySearch(T[] data, T key) {
        int length = data.length;

        int from = 0;
        int to = length - 1;

        // if key little than data[0] or key greater than data[length - 1], return -1, means search failed
        if (data[from].compareTo(key) > 0 || data[to].compareTo(key) < 0) {
            return -1;
        }

        int mid = ((to - from) + 1) / 2;

        while (from < to) {

            // if data[mid] equals key, then return mid
            if (data[mid].equals(key)) {
                return mid;
            }
            if (data[mid].compareTo(key) < 0) {
                // if key greater than data[mid], then search from [mid + 1, to]
                from = Math.min(mid + 1, length - 1);
            } else if (data[mid].compareTo(key) > 0) {
                // if key little than data[mid], then search from [from, mid - 1]
                to = Math.max(mid - 1, 0);
            }

            if (from == to) {
                // if from equals to, then check if data[from] equals key
                return (data[from].equals(key)) ? from : -1;
            }
            
            mid = from + ((to - from) + 1) / 2;

        }
        return -1;
    }

}

3.2 插值查找

插值查找（Interpolation Search）是根据要查找的关键字key与查找表中最大最小记录的关键字比较后的查找方法，其核心在于插值公式 $\frac {key-a[from]}{a[to]-a[flow]}$ 。

从时间复杂度来看，它也是O(logn)，但对于表长较大，而关键字又分布比较均匀的查找表来说，插值查找的平均性能要比折半查找算法的性能要好很多。反之，如果数组分布不均匀，用插值查找未必有优势。

插值查找是在折半查找的基础上进行优化的，在折半查找中，计算mid的算法为：

$\frac {1}{2}((to - from) + 1)$

在插值查找算法中，则是：

$\frac {key-a[from]}{a[to]-a[flow]}((to - from) + 1)$

因此代码只作少量改动：

/**
 * interpolation search
 * <p>
 * return index in data if searched, else return -1
 *
 * @param data array to search
 * @param key  key to search
 * @return index of key in data
 * @author Korbin
 * @date 2023-04-19 18:30:33
 **/
public int interpolationSearch(int[] data, int key) {

    int length = data.length;

    int from = 0;
    int to = length - 1;

    // if key little than data[0] or key greater than data[length - 1], return -1, means search failed
    if (data[from] > key || data[to] < key) {
        return -1;
    }

    int mid = ((key - data[from]) / (data[to] - data[from])) / 2 * ((to - from) + 1);

    while (from < to) {

        // if data[mid] equals key, then return mid
        if (data[mid] == key) {
            return mid;
        }
        if (data[mid] < key) {
            // if key greater than data[mid], then search from [mid + 1, to]
            from = Math.min(mid + 1, length - 1);
        } else if (data[mid] > key) {
            // if key little than data[mid], then search from [from, mid - 1]
            to = Math.max(mid - 1, 0);
        }

        if (from == to) {
            // if from equals to, then check if data[from] equals key
            return (data[from] == key) ? from : -1;
        }

        mid = from + ((key - data[from]) / (data[to] - data[from])) / 2 * ((to - from) + 1);

    }
    return -1;
}

调整一下mid的计算方式即可。

3.3 斐波那契查找

以下是一个斐波那契数组：

斐波那契数组的特性是，后一个元素的值等于前两个元素值的和，即F[K]=F[K-1]+F[K-2]。此外，F[K]/F[K+1]无限接近于0.618。斐波那契查找法依据这一特性，将数据分割成两部分，并把F[K-1]-1作为mid值进行对比处理。

例如，假设数组长度是8，8在斐波那契数组中的下标是6，那么把数组分为两段，长度分别是F[K-1]=F[5]=5，F[K-2]=F[4]=3，令mid=F[K-1]-1=5-1=4，比较要查找的数值与被查找的数组A中，下标为4的元素的大小。

在持续查找的过程中，被查找的数组A因为是有序数组，所以如果mid所对应的元素值大于要查找的数值时，进行下一轮查找时，则应到被查找数组的下半段去查找，下半段数组长度是多少呢？上文提到，裴波那契数组的特性F[K]=F[K-1]+F[K-2]，而斐波那契查找就是将数组分成两段，前半段长度是F[K-2]，后半段长度是F[K-1]，因此当我们在后半段查找时，后半段的数组长度是F[K-1]，即新的K=K-1，接下来的mid计算方式仍然不变。

而这种情况下，下标为mid以及其后的元素，在下一轮查找时显然不可以再用于查找，因此它们肯定会大于要查找的这个值，因此我们设置一个变量high，令其初始值为数组的长度，在A[mid]大于要查找的数值时，令high=mid-1，表示最多可以被查找的元素下标是high，对应的元素值是A[high]。

而如果mid所对应的元素值小于要查找的数值时，需要进行下一轮查找时，因为前半段长度为F[K-2]，因此新的K=K-2，而mid的计算方式不再是mid=F[K-1]-1，而是“上一轮的mid”+1+F[K-1]-1，我们设置一个变更low，令其等于“上一轮的mid”+1，那么，mid的计算方式就变成了mid=low+F[K-1]-1，由于第一轮查找时没有“上一轮的mid”，所以如果按照这个公式，第一轮的low则为1，这样可以保证mid的计算公式一直是mid=low+F[K-1]-1。

根据以上分析，可知：

(1) 变量mid，表示使用数组中下标为mid的元素与要查找的数值进行比较；

(2) 变量k，表示被查找的数组长度在斐波那契数组中的位置；

(3) 变量low，表示从数组的下标为low的元素开始查找，初始值为1，当A[mid]<被查找的元素时，low=mid+1，同时置k=k-2；

(4) 变量high，表示最多查到数组的下标为high的元素，初始值为数组的最大下标，当A[mid]>被查找的元素时，high=mid-1，同时置k=k-1；

现在我们来开始尝试，假设有以下数组：

我们需要从中找到数值59所在的位置。

首先，初始化，low=1，high=数组的最大下标=10，同时定义一个斐波那契数组：

然后第一次查找，我们来找k，已知数组长度为11，在斐波那契数组f中并未找到10这个元素，有两个选择：

如果选择8，即k=6，f[k]=f[6]=8，假设我们要查找的是99，会出现什么情况呢：

(1) 第一轮，mid=low+f[k-1]-1=1+f[5]-1=1+5-1=5，由于a[mid]<要查找的数值，因此新的k=k-2=3，新的low=mid+1=5+1=6；

(2) 第二轮，mid=low+f[k-1]-1=6+f[2]-1=6+1-1=6，由于a[mid]<要查找的数值，因此，新的k=k-2=0，新的low=mid+1=6+1=7；

(3) 第三轮，mid=low+f[k-1]-1=7+f[0-1]-1，无法再继续，而此时仍有a[7]~a[10]；

如果选择13，即k=7，f[k]=f[7]=13，假设我们要查找的是99，会出现什么情况呢：

(1) 第一轮，mid=low+f[k-1]-1=1+f[6]-1=1+8-1=8，a[8]<99，因此新的k=k-2=4，新的low=mid+1=8+1=9；

(2) 第二轮，mid=low+f[k-1]-1=9+f[3]-1=9+3-1=11，这时会发现，11已经超过了a的最大下标10，查找直接失败；

(3) 此时我们进行一些调整，将数组a的长度扩大到f[k]即13位，并补齐后两位的值为f[10]，即f[11]=f[12]=f[10]=99，这时再来查询，就可以得到a[11]=99，找到99在数组a的下标为11的位置，而由于原始的a最大下标为10，因此直接返回10即可。

由此找到规则：当数组长度在斐波那契数组中找不到对应元素时，取与数组长度相邻，但大于数组长度的那个元素的下标作为k，同时将被查找的数组长度扩大到k，并补齐后续元素值使其等于被查找的数组的最后一个元素值。

因此我们取k=7，此时数组a和f的结构如下所示：

开始第一轮查找，此时mid=low+f[k-1]-1=1+f[6]-1=1+8-1=8，a[8]=73>59，因此high=mid-1=8-1=7，k=k-1=7-6=6：

第二轮查找，mid=low+f[k-1]-1=1+f[5]-1=5，a[5]=47<59，因此low=mid+1=5+1=6，k=k-2=6-2=4：

第三轮查找，mid=low+f[k-1]-1=6+f[2]-1=6+1-1=6，a[6]=59，得到查找结果，返回查找值59所在的下标是6，查找结束。

依据以上分析，代码实现比较简单：

import java.util.Arrays;

/**
 * 斐波那契查找
 *
 * @author Korbin
 * @date 2023-11-09 09:16:33
 **/
public class FibonacciSearch {

    /**
     * 定义一个斐波那契数组
     *
     * @param length 数组长度
     * @return 斐波那契数组
     * @author Korbin
     * @date 2023-11-09 09:26:32
     **/
    private static int[] fibonacciArray(int length) {
        int[] array = new int[length];
        array[0] = 0;
        if (length == 1) {
            return array;
        } else if (length == 2) {
            array[1] = 1;
            return array;
        } else {
            array[1] = 1;

            for (int i = 2; i < length; i++) {
                array[i] = array[i - 1] + array[i - 2];
            }
            return array;
        }
    }

    /**
     * 查找key在数组array中的下标，找不到时返回-1
     *
     * @param array 被查找的数组
     * @param key   要查找的key
     * @return key在array中的下标
     * @author Korbin
     * @date 2023-11-09 09:28:51
     **/
    private static int fibonacciSearch(int[] array, int key) {

        int length = array.length;
        // 如果被查找的数组只有一位，则直接比较返回
        if (length == 1) {
            if (array[0] == key) {
                return 0;
            } else {
                return -1;
            }
        }

        // 因为是从下标为1的数组开始查找的，因此先比较下标为0的元素
        if (array[0] == key) {
            return 0;
        }

        int[] fibonacciArray = fibonacciArray(length);

        // low初始为1
        int low = 1;
        // high初始为length - 1
        int high = length - 1;

        // 从斐波那契数组中找到k
        int k = 0;
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            if (length > fibonacciArray[i]) {
                k++;
            }
        }

        // 如果被查找的数组长度小于k，则扩充数组
        int[] newArray = Arrays.copyOf(array, fibonacciArray[k]);
        if (fibonacciArray[k] > length) {
            for (int i = length; i < fibonacciArray[k]; i++) {
                newArray[i] = array[length - 1];
            }
        }

        // 开始查找
        while (low <= high) {
            // 计算mid
            int mid = low + fibonacciArray[k - 1] - 1;
            if (key < newArray[mid]) {
                high = mid - 1;
                k = k - 1;
            } else if (key > newArray[mid]) {
                low = mid + 1;
                k = k - 2;
            } else {
                if (mid < length) {
                    return mid;
                } else {
                    return length - 1;
                }
            }
        }

        return -1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{0, 1, 16, 24, 35, 47, 59, 62, 73, 87, 99};
        for (int j : array) {
            int index = fibonacciSearch(array, j);
            System.out.println("元素" + j + "的下标是" + index);
        }
    }

}