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comments: true
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# 10.1 二分查找
「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。
!!! question
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 $-1$ 。
![二分查找示例数据](binary_search.assets/binary_search_example.png)
图:二分查找示例数据
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。
接下来,循环执行以下两个步骤:
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。
2. 判断 `nums[m]` 和 `target` 的大小关系,分为三种情况:
1. 当 `nums[m] < target` 时,说明 `target` 在区间 $[m + 1, j]$ 中,因此执行 $i = m + 1$ 。
2. 当 `nums[m] > target` 时,说明 `target` 在区间 $[i, m - 1]$ 中,因此执行 $j = m - 1$ 。
3. 当 `nums[m] = target` 时,说明找到 `target` ,因此返回索引 $m$ 。
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 $-1$ 。
=== "<1>"
![binary_search_step1](binary_search.assets/binary_search_step1.png)
=== "<2>"
![binary_search_step2](binary_search.assets/binary_search_step2.png)
=== "<3>"
![binary_search_step3](binary_search.assets/binary_search_step3.png)
=== "<4>"
![binary_search_step4](binary_search.assets/binary_search_step4.png)
=== "<5>"
![binary_search_step5](binary_search.assets/binary_search_step5.png)
=== "<6>"
![binary_search_step6](binary_search.assets/binary_search_step6.png)
=== "<7>"
![binary_search_step7](binary_search.assets/binary_search_step7.png)
图:binary_search_step1
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。
=== "Java"
```java title="binary_search.java"
/* 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;
}
```
=== "C++"
```cpp title="binary_search.cpp"
/* 二分查找(双闭区间) */
int binarySearch(vector &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;
// 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;
}
```
=== "Python"
```python title="binary_search.py"
def binary_search(nums: list[int], target: int) -> int:
"""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)
while i <= j:
# 理论上 Python 的数字可以无限大(取决于内存大小),无须考虑大数越界问题
m = (i + j) // 2 # 计算中点索引 m
if nums[m] < target:
i = m + 1 # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j] 中
elif nums[m] > target:
j = m - 1 # 此情况说明 target 在区间 [i, m-1] 中
else:
return m # 找到目标元素,返回其索引
return -1 # 未找到目标元素,返回 -1
```
=== "Go"
```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 {
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
}
```
=== "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) {
// 计算中点索引 m ,使用 parseInt() 向下取整
const m = parseInt(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 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
return m;
}
}
return -1; // 未找到目标元素,返回 -1
}
```
=== "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"
```zig title="binary_search.zig"
// 二分查找(双闭区间)
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 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;
}
```
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 $\log_2 n$ 。
空间复杂度为 $O(1)$ 。指针 `i` , `j` 使用常数大小空间。
## 10.1.1 区间表示方法
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。
我们可以基于该表示实现具有相同功能的二分查找算法。
=== "Java"
```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 &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)"""
# 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)
while i < j:
m = (i + j) // 2 # 计算中点索引 m
if nums[m] < target:
i = m + 1 # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
elif nums[m] > target:
j = m # 此情况说明 target 在区间 [i, m) 中
else:
return m # 找到目标元素,返回其索引
return -1 # 未找到目标元素,返回 -1
```
=== "Go"
```go title="binary_search.go"
/* 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 {
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
}
```
=== "JS"
```javascript title="binary_search.js"
/* 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)
while (i < j) {
// 计算中点索引 m ,使用 parseInt() 向下取整
const m = parseInt(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) 中
j = m;
// 找到目标元素,返回其索引
else return m;
}
// 未找到目标元素,返回 -1
return -1;
}
```
=== "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) {
// 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;
}
}
return -1; // 未找到目标元素,返回 -1
}
```
=== "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;
}
```
=== "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;
}
```
=== "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
}
```
=== "Zig"
```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 {
// 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;
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);
}
}
// 未找到目标元素,返回 -1
return -1;
}
```
=== "Dart"
```dart title="binary_search.dart"
/* 二分查找(左闭右开区间) */
int binarySearchLCRO(List 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;
}
```
=== "Rust"
```rust title="binary_search.rs"
/* 二分查找(左闭右开) */
fn binary_search_lcro(nums: &[i32], target: i32) -> i32 {
// 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;
}
```
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。
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**。
![两种区间定义](binary_search.assets/binary_search_ranges.png)
图:两种区间定义
## 10.1.2 优点与局限性
二分查找在时间和空间方面都有较好的性能:
- 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。
- 二分查找无须额外空间。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。
然而,二分查找并非适用于所有情况,原因如下:
- 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。
- 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。
- 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。