Java面试系列文：算法、数据结构、基础设计模式

大厂面试高频基础面试题。建议复制到自己的笔记当中，跳槽前必备！

要求

能够用自己语言描述二分查找算法
能够手写二分查找代码
能够解答一些变化后的考法
1.算法描述
前提：有已排序数组 A（假设已经做好）
定义左边界 L、右边界 R，确定搜索范围，循环执行二分查找（3、4两步）
获取中间索引 M = Floor((L+R) /2)
中间索引的值 A[M] 与待搜索的值 T 进行比较
① A[M] == T 表示找到，返回中间索引

② A[M] > T，中间值右侧的其它元素都大于 T，无需比较，中间索引左边去找，M - 1 设置为右边界，重新查找

③ A[M] < T，中间值左侧的其它元素都小于 T，无需比较，中间索引右边去找， M + 1 设置为左边界，重新查找

当 L > R 时，表示没有找到，应结束循环
更形象的描述请参考：binary_search.html
算法实现
public static int binarySearch(int[] a, int t) {
int l = 0, r = a.length - 1, m;
while (l <= r) {
m = (l + r) / 2;
if (a[m] == t) {
return m;
} else if (a[m] > t) {
r = m - 1;
} else {
l = m + 1;
}
}
return -1;
}
测试代码
public static void main(String[] args) {
int[] array = {1, 5, 8, 11, 19, 22, 31, 35, 40, 45, 48, 49, 50};
int target = 47;
int idx = binarySearch(array, target);
System.out.println(idx);
}
解决整数溢出问题
当 l 和 r 都较大时，l + r 有可能超过整数范围，造成运算错误，解决方法有两种：

int m = l + (r - l) / 2;
还有一种是：

int m = (l + r) >>> 1;
其它考法

有一个有序表为 1,5,8,11,19,22,31,35,40,45,48,49,50 当二分查找值为 48 的结点时，查找成功需要比较的次数
使用二分法在序列 1,4,6,7,15,33,39,50,64,78,75,81,89,96 中查找元素 81 时，需要经过（ ）次比较
在拥有128个元素的数组中二分查找一个数，需要比较的次数最多不超过多少次
对于前两个题目，记得一个简要判断口诀：奇数二分取中间，偶数二分取中间靠左。对于后一道题目，需要知道公式：

$$n=log2N=log10N/lo{g}_{10}2$$

其中 n 为查找次数，N 为元素个数

2. 冒泡排序
   要求

能够用自己语言描述冒泡排序算法
能够手写冒泡排序代码
了解一些冒泡排序的优化手段
算法描述

依次比较数组中相邻两个元素大小，若 a[j] > a[j+1]，则交换两个元素，两两都比较一遍称为一轮冒泡，结果是让最大的元素排至最后
重复以上步骤，直到整个数组有序
更形象的描述请参考：bubble_sort.html
算法实现

public static void bubble(int[] a) {
for (int j = 0; j < a.length - 1; j++) {
// 一轮冒泡
boolean swapped = false; // 是否发生了交换
for (int i = 0; i < a.length - 1 - j; i++) {
System.out.println(“比较次数” + i);
if (a[i] > a[i + 1]) {
Utils.swap(a, i, i + 1);
swapped = true;
}
}
System.out.println(“第” + j + “轮冒泡”
+ Arrays.toString(a));
if (!swapped) {
break;
}
}
}
优化点1：每经过一轮冒泡，内层循环就可以减少一次
优化点2：如果某一轮冒泡没有发生交换，则表示所有数据有序，可以结束外层循环
进一步优化

public static void bubble_v2(int[] a) {
int n = a.length - 1;
while (true) {
int last = 0; // 表示最后一次交换索引位置
for (int i = 0; i < n; i++) {
System.out.println(“比较次数” + i);
if (a[i] > a[i + 1]) {
Utils.swap(a, i, i + 1);
last = i;
}
}
n = last;
System.out.println(“第轮冒泡”
+ Arrays.toString(a));
if (n == 0) {
break;
}
}
}
每轮冒泡时，最后一次交换索引可以作为下一轮冒泡的比较次数，如果这个值为零，表示整个数组有序，直接退出外层循环即可
3. 选择排序
要求

能够用自己语言描述选择排序算法
能够比较选择排序与冒泡排序
理解非稳定排序与稳定排序
算法描述

将数组分为两个子集，排序的和未排序的，每一轮从未排序的子集中选出最小的元素，放入排序子集
重复以上步骤，直到整个数组有序
更形象的描述请参考：selection_sort.html
算法实现

public static void selection(int[] a) {
for (int i = 0; i < a.length - 1; i++) {
// i 代表每轮选择最小元素要交换到的目标索引
int s = i; // 代表最小元素的索引
for (int j = s + 1; j < a.length; j++) {
if (a[s] > a[j]) { // j 元素比 s 元素还要小, 更新 s
s = j;
}
}
if (s != i) {
swap(a, s, i);
}
System.out.println(Arrays.toString(a));
}
}
优化点：为减少交换次数，每一轮可以先找最小的索引，在每轮最后再交换元素
与冒泡排序比较

二者平均时间复杂度都是 $O(n^2)$
选择排序一般要快于冒泡，因为其交换次数少
但如果集合有序度高，冒泡优于选择
冒泡属于稳定排序算法，而选择属于不稳定排序
稳定排序指，按对象中不同字段进行多次排序，不会打乱同值元素的顺序
不稳定排序则反之

稳定排序与不稳定排序