09.搜索算法C++（笔记）

1 二分查找

「二分查找 binary search」是一种基于分治策略的高效搜索算法。它利用数据的有序性，每轮缩小一半搜索范围，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且不重复。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 。示例如图 10-1 所示。

如图所示，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，循环执行以下两步。

1. 计算中点索引 m = ⌊(i+j)/2⌋，其中 ⌊ ⌋ 表示向下取整操作。

2. 判断 nums[m] 和 target 的大小关系，分为以下三种情况。

   • 当 nums[m] < target 时，说明 target 在区间 [m+1,j] 中，因此执行 i = m + 1 。
   • 当 nums[m] > target 时，说明 target 在区间 [i,m - 1] 中，因此执行 j = m - 1 。
   • 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 。

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 = ⌊ i + (j - i) / 2 ⌋ 来计算中点。

代码如下所示：

/* 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 - 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;
}

**时间复杂度 O(log n) ：**在二分循环中，区间每轮缩小一半，循环次数为 log₂n。

**空间复杂度O(1) ：**指针 i 和 j 使用常数大小空间。

1.1 区间表示方法

除了上述双闭区间外，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：

/* 二分查找（左闭右开区间） */
int binarySearchLCRO(vector<int> &nums, int target) {
    // 初始化左闭右开区间 [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;
}

如图所示，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。

由于“双闭区间”表示中的左右边界都被定义为闭区间，因此通过指针 i 和指针 j 缩小区间的操作也是对称的。这样更不容易出错，因此一般建议采用“双闭区间”的写法。