std::search算法原理图解

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一、std::search算法原理

std::search算法定义于头文件<algorithm>中，不考虑C++ 17标准中提出的执行策略，也不考虑使用自定义的二元谓词（binary predicate，即接受两个参数，返回值类型为bool的函数或仿函数，形如：bool pred(const Type1 &a, const Type2 &b);，a和b相等时，返回true），函数模板定义如下：

template< class ForwardIt1, class ForwardIt2 >
ForwardIt1 search( ForwardIt1 first, ForwardIt1 last,
                   ForwardIt2 s_first, ForwardIt2 s_last );

更为详细的函数模板定义参考std::search网页。
上述函数模板的含义是：在前向迭代器（std::string、std::vector、std::list、std::deque、std::set、std::map等常见容器均满足该条件）容器区间[first, last)（左闭右开，即first是开始位置，last是结束位置的下一个位置）中，寻找子序列[s_first, s_last)首次出现的位置（实际寻找范围为[first, last - (s_last - s_first))），并将该位置以迭代器的形式返回。若找不到这种子序列，则返回 last ；若[s_first, s_last)为空，则返回first。算法的时间复杂度为S*N（最坏情形），其中 S = std::distance(s_first, s_last)，而N = std::distance(first, last)。

可能的实现代码如下：

template <class ForwardIt1, class ForwardIt2>
ForwardIt1 search(ForwardIt1 first, ForwardIt1 last, ForwardIt2 s_first,
                  ForwardIt2 s_last) {
  std::size_t s_num = std::distance(s_first, s_last);
  for (;; ++first) {
    if (std::distance(first, last) < s_num) {
      return last;
    }

    ForwardIt1 it = first;
    for (ForwardIt2 s_it = s_first;; ++it, ++s_it) {
      if (s_it == s_last) {
        return first;
      }
      if (it == last) {
        return last;
      }
      if (!(*it == *s_it)) {
        break;
      }
    }
  }
}

实现代码非常简洁，下面以图解方式进行解释。

先看第一幅图：

步骤一：
如(a)所示，首先将first指向容器区间[first, last)的首个位置，即容器区间范围为[first, last)，若容器区间[first, last)的长度小于std::distance(s_first, s_last)，往后搜索已无法满足遍历子序列[s_first, s_last)的要求，此时表明在容器区间[first, last)中找不到匹配的子序列[s_first, s_last)，返回last。
将it指向first，s_it指向s_first。若子序列[s_first, s_last)为空，即s_it == s_last，则直接返回first。
比较*it与*s_it，若二者相等，则执行(b)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
如(b)所示，将it和s_it均向前移一步，比较*it与*s_it，若二者相等，则继续执行(b)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
不断执行(b)，直到如(c)所示，s_it抵达子序列[s_first, s_last)的终点s_last。此时表明子序列已遍历比较完毕，成功匹配，于是返回first即可。或者，s_it尚未抵达终点s_last，但it已抵达终点last，此时表明在容器区间[first, last)中找不到匹配的子序列[s_first, s_last)，返回last。
在执行了：

if (std::distance(first, last) < s_num) {
  return last;
 }

语句后，上述加粗的条件理论上不会触及，但这里仍写出以作为安全冗余设计，下同，不再赘述。

接下图看第二幅图：

步骤二：
如(d)所示，将first向前移一步，即容器区间范围调整为[first_old+1, last)，将it指向first，s_it指向s_first，比较*it与*s_it，若二者相等，则执行( e)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
如(e)所示，将it和s_it均向前移一步，比较*it与*s_it，若二者相等，则继续执行(e)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
不断执行(e)，直到如(f)所示，s_it抵达子序列[s_first, s_last)的终点s_last。此时表明子序列已遍历比较完毕，成功匹配，于是返回first即可。或者，s_it尚未抵达终点s_last，但it已抵达终点last，此时表明在容器区间[first_old+1, last)中找不到匹配的子序列[s_first, s_last)，返回last。

最后看第三幅图：

步骤三：
如(g)所示，不断将first向前移一步，即容器区间范围调整为[first_old+n, last)，将it指向first，s_it指向s_first，比较*it与*s_it，若二者相等，则执行(h)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
如(h)所示，将it和s_it均向前移一步，比较*it与*s_it，若二者相等，则继续执行(h)，否则表明待搜索位置s_it与容器位置it的值不匹配，立即中断子序列[s_first, s_last)范围内的搜索迭代。
不断执行(h)，直到如(i)所示，s_it抵达子序列[s_first, s_last)的终点s_last。此时表明子序列已遍历比较完毕，成功匹配，于是返回first即可。或者，s_it尚未抵达终点s_last，但it已抵达终点last，此时表明在容器区间[first_old+n, last)中找不到匹配的子序列[s_first, s_last)，返回last。

整个搜索过程对照示意图就非常容易理解。

二、std::search算法示例

示例参考std::search网页，如下所示：

#include <algorithm>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

template <typename Container>
bool in_quote(const Container& cont, const std::string& s) {
  return std::search(cont.begin(), cont.end(), s.begin(), s.end()) !=
         cont.end();
}

int main() {
  std::string str = "why waste time learning, when ignorance is instantaneous?";
  // str.find() can be used as well
  std::cout << std::boolalpha << in_quote(str, "learning") << std::endl
            << in_quote(str, "lemming") << std::endl;

  std::vector<char> vec(str.begin(), str.end());
  std::cout << std::boolalpha << in_quote(vec, "learning") << std::endl
            << in_quote(vec, "lemming") << std::endl;
  return 0;
}

输出结果为：

true
false
true
false