二分查找

版权所有，转载请注明出处，谢谢！http://blog.csdn.net/walkinginthewind/article/details/8937978

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二分查找，最基本的算法之一，也是面试中常被考察的重点，因为基本的算法最能反映出一个人的基础是否扎实。本文对二分查找相关题目做一个总结。

题目列表：

1. 给定一个有序（非降序）数组A，求任意一个i使得A[i]等于target，不存在则返回-1 这个是最原始的二分查找题目，利用数组的有序特性，拆半查找，使得查找时间复杂度为O(logN)。请参考实现代码与注释。

[cpp] view plaincopy

1. int search(int A[], int n, int target)  
2. {  
3. int low = 0, high = n-1;  
4. while(low <= high)  
5.     {  
6. // 注意：若使用(low+high)/2求中间位置容易溢出
7. int mid = low+((high-low)>>1);   
8. if(A[mid] == target)  
9. return mid;  
10. else if(A[mid] < target)  
11.             low = mid+1;  
12. else // A[mid] > target
13.             high = mid-1;  
14.     }  
15. return -1;  
16. }  

2. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求最小的i使得A[i]等于target，不存在则返回-1 此题也就是求target在数组中第一次出现的位置。这里可能会有人想先直接用原始的二分查找，如果不存在直接返回-1，如果存在，然后再顺序找到这个等于target值区间的最左位置，这样的话，最坏情况下的复杂度就是O（n）了，没有完全发挥出二分查找的优势。这里的解法具体过程请参考实现代码与注释。

[cpp] view plaincopy

1. int searchFirstPos(int A[], int n, int target)  
2. {  
3. if(n <= 0) return -1;  
4. int low = 0, high = n-1;  
5. while(low < high)  
6.     {  
7. int mid = low+((high-low)>>1);  
8. if(A[mid] < target)  
9.             low = mid+1;  
10. else // A[mid] >= target
11.             high = mid;  
12.     }  
13. /* 
14.     循环过程中，当low大于0时，A[low-1]是小于target的，因为A[mid] < target时，
15.     low=mid+1；当high小于n-1时，A[high]是大于等于target的，因为A[mid] >= target时，
16.     high = mid；循环结束时，low 等于 high，所以，如果A[low](A[high])等于target，
17.     那么low(high)就是target出现的最小位置，否则target在数组中不存在。
18.     */
19. if(A[low] != target)  
20. return -1;  
21. else
22. return low;  
23. }  

3. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求最大的i使得A[i]等于target，不存在则返回-1

此题也就是求target在数组中最后一次出现的位置。与上一题基本一样，但是有个地方要注意，具体请参考实现代码与注释。

[cpp] view plaincopy

1. int searchLastPos(int A[], int n, int target)  
2. {     
3. if(n <= 0) return -1;  
4. int low = 0, high = n-1;  
5. while(low < high)  
6.     {  
7. /*
8.         这里中间位置的计算就不能用low+((high-low)>>1)了，因为当low+1等于high
9.         且A[low] <= target时，会死循环；所以这里要使用low+((high-low+1)>>1)，
10.         这样能够保证循环会正常结束。
11.         */
12. int mid = low+((high-low+1)>>1);  
13. if(A[mid] > target)  
14.             high = mid-1;  
15. else // A[mid] <= target
16.             low = mid;  
17.     }  
18. /* 
19.     循环过程中，当high小于n-1时，A[high+1]是大于target的，因为A[mid] > target时，
20.     high=mid-1；当low大于0时，A[low]是小于等于target的，因为A[mid] <= target时，
21.     low = mid；循环结束时，low 等于 high，所以，如果A[high](A[low])等于target，
22.     那么high(low)就是target出现的最大位置，否则target在数组中不存在。
23.     */
24. if(A[high] != target)  
25. return -1;  
26. else
27. return high;  
28. }  

4. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求最大的i使得A[i]小于target，不存在则返回-1。

也就是求小于target的最大元素的位置。请参考实现代码与注释。

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1. int searchLastPosLessThan(int A[], int n, int target)  
2. {  
3. if(n <= 0) return -1;  
4. int low = 0, high = n-1;  
5. while(low < high)  
6.     {  
7. int mid = low+((high-low+1)>>1); // 注意，不要导致死循环
8. if(A[mid] < target)  
9.             low = mid;  
10. else // A[mid] >= target
11.             high = mid-1;  
12.     }  
13. /* 
14.     循环过程中，当low大于0时，A[low]是小于target的，因为A[mid] < target时，
15.     low=mid；当high小于n-1时，A[high+1]是大于等于target的，因为A[mid] >= target时，
16.     high = mid-1；循环结束时，low 等于 high，所以，如果A[low](A[high])小于target，
17.     那么low(high)就是要找的位置，否则不存在这样的位置（A[0] >= target时）。
18.     */
19. return A[low] < target ? low : -1;  
20. }  

5. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求最小的i使得A[i]大于target，不存在则返回-1。 也就是求大于target的最小元素的位置。请参考实现代码与注释。

[cpp] view plaincopy

1. int searchFirstPosGreaterThan(int A[], int n, int target)  
2. {  
3. if(n <= 0) return -1;  
4. int low = 0, high = n-1;  
5. while(low < high)  
6.     {  
7. int mid = low+((high-low)>>1);  
8. if(A[mid] > target)  
9.             high = mid;  
10. else // A[mid] <= target
11.             low = mid+1;  
12.     }  
13. /* 
14.     循环过程中，当low大于0时，A[low-1]是小于等于target的，因为A[mid] <= target时，
15.     low=mid+1；当high小于n-1时，A[high]是大于target的，因为A[mid] > target时，
16.     high = mid；循环结束时，low 等于 high，所以，如果A[high](A[low])大于target，
17.     那么high(low)就是要找的位置，否则不存在这样的位置（A[n-1] <= target时）。
18.     */
19. return A[high] > target ? high : -1;  
20. }  

6. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求target在数组中出现的次数

求出第一次出现位置和最后一次出现位置。由于前面都已实现，这里不多解释。请参考实现代码与注释

[cpp] view plaincopy

1. int count(int A[], int n, int target)  
2. {  
3. int firstPos = searchFirstPos(A, n, target); // 第一次出现位置
4. if(firstPos == -1)  
5. return 0;  
6. int lastPos = searchLastPos(A, n, target);  // 最后一次出现位置
7. return lastPos-firstPos+1;  // 出现次数
8. }  

此题描述或者改为求目标值在数组中的索引范围。

7. 给定一个有序（非降序）数组A，若target在数组中出现，返回位置，若不存在，返回它应该插入的位置

如    [1,3,5,6], 5 → 2 [1,3,5,6], 2 → 1 [1,3,5,6], 7 → 4 [1,3,5,6], 0 → 0

[cpp] view plaincopy

1. int searchInsert(int A[], int n, int target) {  
2. // 如果比最大值还大，那插入位置就是位置n
3. if(A[n-1] < target)   
4. return n;  
5. int low = 0, high = n-1;  
6. while(low < high)  
7.     {  
8. int mid = low+((high-low)>>1);  
9. if(A[mid] >= target)  
10.             high = mid;  
11. else // A[mid] < target
12.             low = mid+1;  
13.     }  
14. /*  
15.     循环过程中，当low大于0时，A[low-1]是小于target的，因为A[mid] < target时， 
16.     low=mid+1；当high小于n-1时，A[high]是大于等于target的，因为A[mid] >= target时， 
17.     high = mid；循环结束时，low 等于 high，所以，如果A[low](A[high])等于target， 
18.     那么low(high)就是target出现的位置，否则low就是target在数组中应该插入的位置。 
19.     */
20. return high;  
21. }  

8. 给定一个有序（非降序）数组A，可含有重复元素，求绝对值最小的元素的位置

找第一个大于等于0的位置，然后和前一个元素的绝对值比较，返回绝对值较小的元素的位置。请参考实现代码与注释

[cpp] view plaincopy

1. int searchMinAbs(int A[], int n)  
2. {  
3. int low = 0, high = n-1;  
4. while(low < high)  
5.     {  
6. int mid = low+((high-low)>>1);  
7. if(A[mid] < 0)  
8.             low = mid+1;  
9. else // A[mid] >= 0
10.             high = mid;  
11.     }  
12. /* 循环结束时，如果low != n-1，A[low] >= 0，如果low>0，A[low-1] < 0 */
13. if(low > 0 && abs(A[low-1]) < abs(A[low]))  
14. return low-1;  
15. else
16. return low;  
17. }  

9. 给定一个有序（非降序）数组A和一个有序（非降序）数组B，可含有重复元素，求两个数组合并结果中的第k(k>=0)个数字。

这个题目出现了两个数组，有序的，不管怎样我们就应该首先考虑二分查找是否可行。若使用顺序查找，时间复杂度最低为O(k)，就是类似归并排序中的归并过程。使用用二分查找时间复杂度为O(logM+logN)。二分查找的具体实现过程请参考实现代码与注释。

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1. int findKthIn2SortedArrays(int A[], int m, int B[], int n, int k)  
2. {  
3. if(m <= 0) // 数组A中没有元素，直接在B中找第k个元素
4. return B[k];  
5. if(n <= 0) // 数组B中没有元素，直接在A中找第k个元素
6. return A[k];  
7. int i = (m-1)>>1; // 数组A的中间位置
8. int j = (n-1)>>1; // 数组B的中间位置
9. if(A[i] <= B[j])  // 数组A的中间元素小于等于数组B的中间元素
10.     {  
11. /*
12.         设x为数组A和数组B中小于B[j]的元素数目，则i+1+j+1小于等于x，
13.         因为A[i+1]到A[m-1]中还可能存在小于等于B[j]的元素；
14.         如果k小于i+1+j+1，那么要查找的第k个元素肯定小于等于B[j]，
15.         因为x大于等于i+1+j+1；既然第k个元素小于等于B[j]，那么只
16.         需要在A[0]~A[m-1]和B[0]~B[j]中查找第k个元素即可，递归调用下去。
17.         */
18. if(k < i+1+j+1)  
19.         {  
20. if(j > 0)  
21. return findKthIn2SortedArrays(A, m, B, j+1, k);  
22. else // j == 0时特殊处理，防止死循环
23.             {  
24. if(k == 0)  
25. return min(A[0], B[0]);  
26. if(k == m)  
27. return max(A[m-1], B[0]);  
28. return A[k] < B[0] ? A[k] : max(A[k-1], B[0]);  
29.             }  
30.         }  
31. /*
32.         设y为数组A和数组B中小于于等于A[i]的元素数目，则i+1+j+1大于等于y；
33.         如果k大于等于i+1+j+1，那么要查找到第k个元素肯定大于A[i]，因为
34.         i+1+j+1大于等于y；既然第k个元素大于A[i]，那么只需要在A[i+1]~A[m-1]
35.         和B[0]~B[n-1]中查找第k-i-1个元素，递归调用下去。
36.         */
37. else
38. return findKthIn2SortedArrays(A+i+1, m-i-1, B, n, k-i-1);  
39.     }   
40. // 如果数组A的中间元素大于数组B的中间元素，那么交换数组A和B，重新调用即可
41. else
42. return findKthIn2SortedArrays(B, n, A, m, k);  
43. }  

10. 一个有序（升序）数组，没有重复元素，在某一个位置发生了旋转后，求target在变化后的数组中出现的位置，不存在则返回-1

如 0 1 2 4 5 6 7 可能变成 4 5 6 7 0 1 2

我们先比较中间元素是否是目标值，如果是返回位置。如果不是，我们就应该想办法将搜索区间减少一半。因为存在旋转变化，所以我们要多做一些判断。我们知道因为只有一次旋转变化，所以中间元素两边的子数组肯定有一个是有序的，那么我们可以判断target是不是在这个有序的子数组中，从而决定是搜索这个子数组还是搜索另一个子数组。具体请参考实现代码与注释。

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1. int searchInRotatedArray(int A[], int n, int target)   
2. {  
3. int low = 0, high = n-1;  
4. while(low <= high)  
5.     {  
6. int mid = low+((high-low)>>1);  
7. if(A[mid] == target)   
8. return mid;  
9. if(A[mid] >= A[low])   
10.         {  
11. // low ~ mid 是升序的
12. if(target >= A[low] && target < A[mid])  
13.                 high = mid-1;  
14. else
15.                 low = mid+1;  
16.         }  
17. else
18.         {  
19. // mid ~ high 是升序的
20. if(target > A[mid] && target <= A[high])  
21.                 low = mid+1;  
22. else
23.                 high = mid-1;  
24.         }  
25.     }  
26. return -1;  
27. }  

如果这样的数组中存在重复元素，还能使用二分吗？答案是不能。请看几个例子

[1, 2, 2, 2, 2], [2, 1, 2, 2, 2], [2, 2, 1, 2, 2], [2, 2, 2, 1, 2], [2, 2, 2, 2, 1]这些都是有第一个数组旋转一次变化来的，我们不能通过二分确定是否存在元素1.

11. 一个有序（升序）数组，没有重复元素，在某一个位置发生了旋转后，求最小值所在位置

如果中间元素小于左端元素，则最小值在左半区间内（包含中间元素）；如果中间元素大于右端元素，则最小值在右半区间内（包含中间元素）。请参考实现代码与注释。

[cpp] view plaincopy

1. int searchMinInRotatedArray(int A[], int n)   
2. {  
3. if(n == 1)  
4. return 0;  
5. int low = 0, high = n-1;  
6. while(low < high-1) // 保证mid != low且mid != high
7.     {  
8. int mid = low+((high-low)>>1);  
9. if(A[mid] < A[low]) // 最小值在low~mid
10.             high = mid;  
11. else // A[mid] > A[low], // 最小值在mid和high之间
12.             low = mid;  
13.     }  
14. return A[low] < A[low+1] ? low : low+1;  
15. }  

12. 一个有序（升序）数组，没有重复元素，在某一个位置发生了旋转后，求第k(k > 0)小元素的位置 我们可以利用上一题的解答，求出最小值所在位置后，便可以求出第k小元素。请参考实现代码与注释

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1. int searchKthInRotatedArray(int A[], int n, int k)   
2. {  
3. int posMin = searchMinInRotatedArray(A, n);  
4. re