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二分查找

最后更新

二分查找通过不断把搜索窗口减半,在**有序**数组中找到目标值。它把中间元素和目标值比较:相等就结束查找;否则就丢弃不可能包含目标值的那一半,窗口缩小到另一半。每次比较都会排除剩余元素的一半,所以它的复杂度是 O(log n):在一百万个有序值中查找,最多只需要大约 20 次比较。

上面的动画显示了 lo、mid 和 hi 三个指针,并在每次比较后把被排除的一半变暗。有一个前提条件不容商量:数组必须已经有序。对于无序数据,你需要使用线性查找,或者先排序(参见归并排序)。同样的折半思想也是二叉搜索树的基础。

时间和空间复杂度

情况复杂度说明
最好情况O(1)第一次比较时中间元素就是目标值。
平均情况O(log n)每次比较都把剩余窗口减半。
最坏情况O(log n)窗口缩小到只剩一个元素,才确定找到或找不到。
空间O(1)迭代版本只保存 lo、hi 和 mid 三个下标。

分步说明

步骤发生了什么
1把 lo 设为有序数组的第一个下标,把 hi 设为最后一个下标。
2计算中间下标:mid = (lo + hi) // 2。
3如果 a[mid] 等于目标值,返回 mid(找到了)。
4如果 a[mid] **小于**目标值,目标值只可能在右半部分:令 lo = mid + 1。
5如果 a[mid] **大于**目标值,就在左半部分查找:令 hi = mid - 1。
6只要 lo <= hi,就从第 2 步开始重复;如果窗口为空,说明目标值不在数组中。

示例演算

在 [1, 2, 3, 5, 7, 8, 9] 中查找 5:

轮次窗口 (lo..hi)mida[mid]操作
1[1, 2, 3, 5, 7, 8, 9] (0..6)35a[3] = 5:在下标 3 处找到目标值。

查找失败的过程

在同一个数组中查找 4,可以看到窗口是如何变空的:

轮次窗口 (lo..hi)mida[mid]操作
10..6355 > 4:在左半部分查找,hi = 2。
20..2122 < 4:在右半部分查找,lo = 2。
32..2233 < 4,所以 lo 变为 3,窗口变空:没有找到。

什么时候使用二分查找

适合使用的情况不适合使用的情况
数据已经有序(或者需要多次查找)数据无序且只查找一次(先排序要花 O(n log n))
集合支持快速随机访问(数组)只能顺序访问(链表)
数据量很大(O(log n) 在大规模数据上优势明显)数据量很小(简单扫描一样快,而且更简单)

Binary Search 代码

简洁、可运行的 Binary Search 实现,提供 Python, JavaScript, Java, C++, C, Pseudocode 版本。选择一种语言,复制代码,或在 Coddy 在线编辑器中直接打开。

Binary Search 的 Python 代码

Python
1def binary_search(a, target):2    lo, hi = 0, len(a) - 13    while lo <= hi:4        mid = (lo + hi) // 25        if a[mid] == target:6            return mid7        if a[mid] < target:8            lo = mid + 1  # search the right half9        else:10            hi = mid - 1  # search the left half11    return -112
13
14nums = [1, 2, 3, 5, 7, 8, 9]  # must be sorted15print("Index of 5:", binary_search(nums, 5))16print("Index of 4:", binary_search(nums, 4))
在 Python 在线编辑器中运行这段代码

二分查找常见问题

二分查找的时间复杂度是多少?
平均和最坏情况都是 O(log n),因为每次比较都会把剩余的搜索窗口减半;最好情况是 O(1),即第一个中间元素就是目标值。迭代版本只占用 O(1) 的额外空间。
为什么二分查找要求数组有序?
折半这一步依赖顺序:只有当中间元素左边的值都更小、右边的值都更大时,把目标值和中间元素比较,才能知道该丢弃哪一半。在无序数据上这个推断不成立,所以应改用线性查找,或者先排序。
二分查找和线性查找有什么区别?
线性查找逐个扫描元素(O(n)),适用于任何数组;二分查找把有序数组的搜索窗口不断减半(O(log n)),但要求输入有序。元素只有几个时差别可以忽略,数据量大时二分查找完胜。
二分查找需要多少次比较?
最多大约 log2(n) + 1 次:10 次比较可以覆盖 1,000 个元素,20 次比较可以覆盖 1,000,000 个。正是这种对数级增长,让它成为有序数据上默认的查找方法。
二分查找中经典的溢出 bug 是什么?
当 lo + hi 超过类型的最大值时,用 (lo + hi) / 2 计算中间下标会让定长整数溢出。安全的写法是 mid = lo + (hi - lo) / 2。在 Python 中这无关紧要(整数精度不受限制),但在 Java、C、C++ 中这是一个真实存在、而且很有名的 bug。
二分查找和二叉搜索树是一回事吗?
它们共享折半的思想,但结构不同:二分查找是作用在有序数组上的算法,而二叉搜索树是一种链式数据结构,它让键保持有序,查找时在每个节点处向左或向右下行。
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