hello-algo/chapter_searching/binary_search.md

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# 10.2.   二分查找

「二分查找 Binary Search」利用数据的有序性，通过每轮减少一半搜索范围来定位目标元素。

## 10.2.1.   算法实现

给定一个长度为 $n$ 的有序数组 `nums` ，元素按从小到大的顺序排列。数组索引的取值范围为：

$$
0, 1, 2, \cdots, n-1
$$

我们通常使用以下两种方法来表示这个取值范围：

1. **双闭区间 $[0, n-1]$** ，即两个边界都包含自身；在此方法下，区间 $[0, 0]$ 仍包含 $1$ 个元素；
2. **左闭右开 $[0, n)$** ，即左边界包含自身、右边界不包含自身；在此方法下，区间 $[0, 0)$ 不包含元素；

### “双闭区间”实现

首先，我们采用“双闭区间”表示法，在数组 `nums` 中查找目标元素 `target` 的对应索引。

=== "<1>"
    ![二分查找步骤](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)

二分查找在“双闭区间”表示下的代码如下所示。

=== "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) / 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<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.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) / 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
        while i <= j:
            m = (i + j) // 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
            elif 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
        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) / 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
    }
    ```

=== "JavaScript"

    ```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) {
            const m = parseInt((i + j) / 2); // 计算中点索引 m ，在 JS 中需使用 parseInt 函数取整
            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;
    }
    ```

=== "TypeScript"

    ```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) {
            const m = Math.floor((i + j) / 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;
            }
        }
        return -1; // 未找到目标元素，返回 -1
    }
    ```

=== "C"

    ```c title="binary_search.c"
    [class]{}-[func]{binarySearch}
    ```

=== "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) / 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) / 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) / 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(T, m);
            }
        }
        // 未找到目标元素，返回 -1
        return -1;
    }
    ```

### “左闭右开”实现

此外，我们也可以采用“左闭右开”的表示法，编写具有相同功能的二分查找代码。

=== "Java"

    ```java title="binary_search.java"
    /* 二分查找（左闭右开） */
    int binarySearch1(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) / 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 binarySearch1(vector<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.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) / 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_search1(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:  # 此情况说明 target 在区间 [m+1, j) 中
                i = m + 1
            elif 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
    ```

=== "Go"

    ```go title="binary_search.go"
    /* 二分查找（左闭右开） */
    func binarySearch1(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) / 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
    }
    ```

=== "JavaScript"

    ```javascript title="binary_search.js"
    /* 二分查找（左闭右开） */
    function binarySearch1(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) {
            const m = parseInt((i + j) / 2); // 计算中点索引 m ，在 JS 中需使用 parseInt 函数取整
            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;
    }
    ```

=== "TypeScript"

    ```typescript title="binary_search.ts"
    /* 二分查找（左闭右开） */
    function binarySearch1(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) {
            const m = Math.floor((i + j) / 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;
            }
        }
        return -1; // 未找到目标元素，返回 -1
    }
    ```

=== "C"

    ```c title="binary_search.c"
    [class]{}-[func]{binarySearch1}
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="binary_search.cs"
    /* 二分查找（左闭右开） */
    int binarySearch1(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) / 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 binarySearch1(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) / 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 binarySearch1(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) / 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(T, m);
            }
        }
        // 未找到目标元素，返回 -1
        return -1;
    }
    ```

### 两种表示对比

对比这两种代码写法，我们可以发现以下不同点：

<div class="center-table" markdown>

| 表示方法            | 初始化指针          | 缩小区间                  | 循环终止条件 |
| ------------------- | ------------------- | ------------------------- | ------------ |
| 双闭区间 $[0, n-1]$ | $i = 0$ , $j = n-1$ | $i = m + 1$ , $j = m - 1$ | $i > j$      |
| 左闭右开 $[0, n)$   | $i = 0$ , $j = n$   | $i = m + 1$ , $j = m$     | $i = j$      |

</div>

在“双闭区间”表示法中，由于对左右两边界的定义相同，因此缩小区间的 $i$ 和 $j$ 的处理方法也是对称的，这样更不容易出错。因此，**建议采用“双闭区间”的写法**。

### 大数越界处理

当数组长度非常大时，加法 $i + j$ 的结果可能会超出 `int` 类型的取值范围。在这种情况下，我们需要采用一种更安全的计算中点的方法。

=== "Java"

    ```java title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    int m = (i + j) / 2;
    // 更换为此写法则不会越界
    int m = i + (j - i) / 2;
    ```

=== "C++"

    ```cpp title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    int m = (i + j) / 2;
    // 更换为此写法则不会越界
    int m = i + (j - i) / 2;
    ```

=== "Python"

    ```py title=""
    # Python 中的数字理论上可以无限大（取决于内存大小）
    # 因此无需考虑大数越界问题
    ```

=== "Go"

    ```go title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    m := (i + j) / 2
    // 更换为此写法则不会越界
    m := i + (j - i) / 2
    ```

=== "JavaScript"

    ```javascript title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    let m = parseInt((i + j) / 2);
    // 更换为此写法则不会越界
    let m = parseInt(i + (j - i) / 2);
    ```

=== "TypeScript"

    ```typescript title=""
    // (i + j) 有可能超出 Number 的取值范围
    let m = Math.floor((i + j) / 2);
    // 更换为此写法则不会越界
    let m = Math.floor(i + (j - i) / 2);
    ```

=== "C"

    ```c title=""

    ```

=== "C#"

    ```csharp title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    int m = (i + j) / 2;
    // 更换为此写法则不会越界
    int m = i + (j - i) / 2;
    ```

=== "Swift"

    ```swift title=""
    // (i + j) 有可能超出 int 的取值范围
    let m = (i + j) / 2
    // 更换为此写法则不会越界
    let m = i + (j - 1) / 2
    ```

=== "Zig"

    ```zig title=""

    ```

## 10.2.2. &nbsp; 复杂度分析

**时间复杂度 $O(\log n)$** ：其中 $n$ 为数组长度；每轮排除一半的区间，因此循环轮数为 $\log_2 n$ ，使用 $O(\log n)$ 时间。

**空间复杂度 $O(1)$** ：指针 `i` , `j` 使用常数大小空间。

## 10.2.3. &nbsp; 优点与局限性

二分查找效率很高，主要体现在：

- **二分查找的时间复杂度较低**。对数阶在大数据量情况下具有显著优势。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。
- **二分查找无需额外空间**。与哈希查找相比，二分查找更加节省空间。

然而，并非所有情况下都可使用二分查找，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。