数组的查找

数组的查找

线性查找

概念

线性查找也叫顺序查找，这是最基本的一种查找方法，从给定的值中进行搜索，从一端开始逐一检查每个元素，直到找到所需元素的过程。

元素序列的排列可以有序，也可以无序。

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public class Test01 {
	public static void main(String[] args) {
		//线性查找
		
		int[] arr = {45, 62, 15,62, 78, 30};
		
		int index = sequentialSearch01(arr, 62);
		System.out.println("指定元素首次出现的下标位置：" + index);
		
		List<Integer> indexList = sequentialSearch02(arr, 62);
		System.out.println("指定元素出现的下标位置的集合：" + Arrays.toString(indexList.toArray()));
	}
	
	/**
	 * 顺序查找
	 * 返回指定元素首次出现的下标位置
	 */
	public static int sequentialSearch01(int[] arr,int value){
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
			if(arr[i] == value){
				return i;
			}
		}
		return -1;
	}
	
	/**
	 * 顺序查找
	 * 返回指定元素出现的下标位置的集合
	 */
	public static List<Integer> sequentialSearch02(int[] arr,int value){
		List<Integer> list = new ArrayList<>();
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
			if(arr[i] == value){
				list.adds(i);
			}
		}
		return list;
	}
}

二分法查找

概念

二分查找(Binary Search)算法，也叫折半查找算法。

当要从一个序列中查找一个元素的时候，二分查找是一种非常快速的查找算法。

二分查找是针对有序数据集合的查找算法，如果是无序数据集合就遍历查找。

二分查找之所以快速，是因为它在匹配不成功的时候，每次都能排除剩余元素中一半的元素。因此可能包含目标元素的有效范围就收缩得很快，而不像顺序查找那样，每次仅能排除一个元素。

原理

比如有一个有序表数组[1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21]，它是按照从小到大的顺序来进行排列的，现在需要在该有序表中查找元素19，步骤如下：

  1. 首先设置两个指针low和high，分别指向数据集合的第一个数据元素1(位序为0)和最后一个数据元素21(位序为10)。

    然后把整个数据集合长度分成两半，并用一个指针指向它们的临界点，所以定义指针mid指向了中间元素11(位序5)，也就是说mid=(high+low)/2，其中high和low都代表所指向的元素的位序，如下图：

image-20220808214656128

  1. 接着，将mid所指向的元素(11)与待查找元素(19)进行比较。

    因为19大于11，说明待查找的元素(19)一定位于mid和high之间。所以继续折半，则low = mid+1，而mid = (low+high)/2，结果如下图：

image-20220808214725572
  1. 接着，又将mid所指向的元素(17)与待查找元素(19)进行比较，由于19大于17，所以继续折半，则low = mid+1，而mid = (low+high)/2，结果如下图：
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  1. 最后，又将mid所指向的元素(19)与待查找元素(19)进行比较，结果相等，则查找成功，返回mid指针指向的元素的位序。

    如果查找的元素值不是19，而是20，那么在最后一步之前还得继续折半查找，最后出现的情况如下图：

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public class Test01 {
	public static void main(String[] args) {
		//二分法查找

		int[] arr = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,11,11,11,11,11};

		int index = binarySearch01(arr, 11);
		System.out.println("指定元素出现的下标位置：" + index);

		List<Integer> indexList = binarySearch02(arr, 11);
		System.out.println("指定元素出现的下标位置的集合：" + Arrays.toString(indexList.toArray()));

		index = recursionbinarySearch01(arr, 0, arr.length-1, 11);
		System.out.println("递归方式 - 指定元素出现的下标位置：" + index);

		indexList = recursionbinarySearch02(arr, 0, arr.length-1, 11);
		System.out.println("递归方式 - 指定元素出现的下标位置的集合：" + Arrays.toString(indexList.toArray()));
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素出现的下标位置
	 * 不使用递归的二分查找
	 * 返回出现的下标位置
	 */
	public static int binarySearch01(int[] arr,int val){

		int low = 0;
		int high = arr.length-1;

		while(low <= high){
			int mid = (low + high)/2;

			if(val > arr[mid]){
				//目标在右侧
				low = mid+1;
			}else if(val < arr[mid]){
				//目标在左侧
				high = mid-1;
			}else{
				return mid;
			}
		}
		return -1;
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素首次出现的下标位置
	 * 不使用递归的二分查找
	 * 返回下标集合
	 */
	public static List<Integer> binarySearch02(int[] arr,int val){

		int low = 0;
		int high = arr.length-1;

		while(low <= high){
			int mid = (low + high)/2;

			if(val > arr[mid]){
				//目标在右侧
				low = mid+1;
			}else if(val < arr[mid]){
				//目标在左侧
				high = mid-1;
			}else{
				// 定义放置索引下标的集合
				List<Integer> list = new ArrayList<>();
				// 将首次查找的位置放入集合
				list.add(mid);

				// 判断是否还有重复值
				int index = mid + 1;
				while(index < arr.length){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
					}else{
						break;
					}
					index++;
				}
				index = mid-1;
				while(index >= 0){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
					}else{
						break;
					}
					index--;
				}
				return list;
			}
		}
		return null;
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素出现的下标位置
	 * 使用递归的二分查找
	 * 返回出现的下标位置
	 */
	public static int recursionbinarySearch01(int[] arr,int low,int high,int val){

		if(val < arr[low] || val > arr[high] || low > high){
			return -1;
		}

		int mid = (low + high)/2;

		if(val > arr[mid]){
			//目标在右侧
			return recursionbinarySearch01(arr, mid+1, high, val);
		}else if(val < arr[mid]){
			//目标在左侧
			return recursionbinarySearch01(arr, low, mid-1, val);
		}else{
			return mid;
		}
	}
	
	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素首次出现的下标位置
	 * 使用递归的二分查找
	 * 返回下标集合
	 */
	public static List<Integer> recursionbinarySearch02(int[] arr,int low,int high,int val){

		if(val < arr[low] || val > arr[high] || low > high){
			return null;
		}

		int mid = (low + high)/2;

		if(val > arr[mid]){
			//目标在右侧
			return recursionbinarySearch02(arr, mid+1, high, val);
		}else if(val < arr[mid]){
			//目标在左侧
			return recursionbinarySearch02(arr, low, mid-1, val);
		}else{
			// 定义放置索引下标的集合
			List<Integer> list = new ArrayList<>();
			// 将首次查找的位置放入集合
			list.add(mid);

			// 判断是否还有重复值
			int index = mid + 1;
			while(index < arr.length){
				if(arr[index] == val){
					list.add(index);
				}else{
					break;
				}
				index++;
			}
            
			index = mid-1;
			while(index >= 0){
				if(arr[index] == val){
					list.add(index);
				}else{
					break;
				}
				index--;
			}
			return list;
		}
	}
}

优缺点

优点:速度快，不占空间，不开辟新空间

缺点:必须是有序的数组，数据量太小没有意义

插值查找

概念

从折半查找中可以看出，折半查找的查找效率还是不错的。可是为什么要折半呢？为什么不是四分之一、八分之一呢？

打个比方，在牛津词典里要查找“apple”这个单词，会首先翻开字典的中间部分，然后继续折半吗？肯定不会，对于查找单词“apple”，我们肯定是下意识的往字典的最前部分翻去，而查找单词“zero”则相反，我们会下意识的往字典的最后部分翻去。

所以在折半查找法的基础上进行改造就出现了插值查找法，也叫做按比例查找。所以插值查找与折半查找唯一不同的是在于mid的计算方式上，它的计算方式为：

int mid = low + (high - low) * (val- arr[low]) / (arr[high] - arr[low])

这样就能快速定位目标数值所在的索引，比二分查找可以更快速实现查找。

自适应获取mid，也就是自适应查找点。

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public class Test01 {
	public static void main(String[] args) {
		//插值查找
		
		int[] arr = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,11,11,11,11,11};

		int index = insertSearch01(arr, 11);
		System.out.println("指定元素出现的下标位置：" + index);

		List<Integer> indexList = insertSearch02(arr, 11);
		System.out.println("指定元素出现的下标位置的集合：" + Arrays.toString(indexList.toArray()));

		index = recursionInsertSearch01(arr, 0, arr.length-1, 11);
		System.out.println("递归方式 - 指定元素出现的下标位置：" + index);

		indexList = recursionInsertSearch02(arr, 0, arr.length-1, 11);
		System.out.println("递归方式 - 指定元素出现的下标位置的集合：" + Arrays.toString(indexList.toArray()));
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素出现的下标位置
	 * 不使用递归的二分查找
	 * 返回出现的下标位置
	 */
	public static int insertSearch01(int[] arr,int val){

		int low = 0;
		int high = arr.length-1;

		while(low <= high){
			
			int mid = low + (high - low) * (val - arr[low])/(arr[high] - arr[low]);

			if(val > arr[mid]){
				//目标在右侧
				low = mid+1;
			}else if(val < arr[mid]){
				//目标在左侧
				high = mid-1;
			}else{
				return mid;
			}
		}
		return -1;
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素首次出现的下标位置
	 * 不使用递归的二分查找
	 * 返回下标集合
	 */
	public static List<Integer> insertSearch02(int[] arr,int val){

		int low = 0;
		int high = arr.length-1;

		while(low <= high){
			int mid = low + (high - low) * (val - arr[low])/(arr[high] - arr[low]);

			if(val > arr[mid]){
				//目标在右侧
				low = mid+1;
			}else if(val < arr[mid]){
				//目标在左侧
				high = mid-1;
			}else{
				// 定义放置索引下标的集合
				List<Integer> list = new ArrayList<>();
				// 将首次查找的位置放入集合
				list.add(mid);

				// 判断是否还有重复值
				int index = mid + 1;
				while(index < arr.length){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
					}else{
						break;
					}
					index++;
				}
				index = mid-1;
				while(index >= 0){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
					}else{
						break;
					}
					index--;
				}
				return list;
			}
		}
		return null;
	}

	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素出现的下标位置
	 * 使用递归的二分查找
	 * 返回出现的下标位置
	 */
	public static int recursionInsertSearch01(int[] arr,int low,int high,int val){

		if(val < arr[low] || val > arr[high] || low > high){
			return -1;
		}

		int mid = low + (high - low) * (val - arr[low])/(arr[high] - arr[low]);

		if(val > arr[mid]){
			//目标在右侧
			return recursionInsertSearch01(arr, mid+1, high, val);
		}else if(val < arr[mid]){
			//目标在左侧
			return recursionInsertSearch01(arr, low, mid-1, val);
		}else{
			return mid;
		}
	}
	
	/**
	 * 有序的数组中查找某个元素首次出现的下标位置
	 * 使用递归的二分查找
	 * 返回下标集合
	 */
	public static List<Integer> recursionInsertSearch02(int[] arr,int low,int high,int val){

		if(val < arr[low] || val > arr[high] || low > high){
			return null;
		}

		int mid = low + (high - low) * (val - arr[low])/(arr[high] - arr[low]);

		if(val > arr[mid]){
			//目标在右侧
			return recursionInsertSearch02(arr, mid+1, high, val);
		}else if(val < arr[mid]){
			//目标在左侧
			return recursionInsertSearch02(arr, low, mid-1, val);
		}else{
			// 定义放置索引下标的集合
			List<Integer> list = new ArrayList<>();
			// 将首次查找的位置放入集合
			list.add(mid);

			// 判断是否还有重复值
			int index = mid + 1;
			while(index < arr.length){
				if(arr[index] == val){
					list.add(index);
				}else{
					break;
				}
				index++;
			}
			index = mid-1;
			while(index >= 0){
				if(arr[index] == val){
					list.add(index);
				}else{
					break;
				}
				index--;
			}
			return list;
		}
	}
}

斐波那契查找

概念

斐波那契查找也叫做黄金分割法查找。

斐波那契查找也是二分查找的一种提升算法，通过运用黄金比例的概念在数列中选择查找点进行查找，提高查找效率。同样地，斐波那契查找也属于一种有序查找算法。

原理

对于斐波那契数列：1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……（也可以从0开始），前后两个数字的比值随着数列的增加，越来越接近黄金比值0.618。

比如元素个数为89的有序列表。89在斐波那契数列中是34和55相加所得。

把元素个数为89的有序列表分成：前55个数据元素组成的前半段和34个数据元素组成的后半段。那么前半段元素个数和整个有序表长度的比值接近黄金比值0.618，而前后两段长度的比值也接近黄金比值0.618。

假如要查找的元素在前半段，那么继续按照斐波那契数列来看，55 = 34 + 21，所以继续把前半段分成前34个数据元素的前半段和后21个元素的后半段，继续查找，如此反复，直到查找成功或失败。这样斐波那契数列就被应用到查找算法中了。

总长度=f[k]，

前半段长度=f[k-1]，后半段长度=f[k-2]

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有序列表的元素个数不是斐波那契数列中的数字时该如何处理呢？

当有序表的元素个数不是斐波那契数列中的某个数字时，需要把有序列表的长度补齐，让它成为斐波那契数列中的一个数值。

如果不是补齐，而是将多余的截掉是否可行？把原有序列表截断肯定是不可行的，因为可能把要查找的目标值截掉。

每次取斐波那契数列中的某个值时(f[k])，都会进行-1操作，这是因为数组下标从0开始。

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public class Test01 {
	public static void main(String[] args) {
		
		int[] arr = {1,13,25,37,49,51,62,68,70,80,80};
		
		List<Integer> fiboSearchList = fiboSearchList(arr, 80);
		System.out.println(Arrays.toString(fiboSearchList.toArray()));
	}
	
	public static List<Integer> fiboSearchList(int[] arr, int val) {
		
		int low = 0;
		int high = arr.length-1;
		
		// 斐波那契的索引下标。数组长度的数值在斐波那契数列中对应的索引下标
		int[] fiboArray = getFiboArray(10);//[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
		
		// 斐波那契的索引下标。数组长度的数值在斐波那契数列中对应的索引下标
		int k = 0;
		// 斐波那契的索引下标。数组长度的数值在斐波那契数列中对应的索引下标
		while(arr.length > fiboArray[k]){
			k++;
		}
		System.out.println("k = " + k);//6
		System.out.println("fiboArray = " + Arrays.toString(fiboArray));//[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
		
		// 利用Java工具类Arrays 构造新数组并指向 数组 arr[]
		int[] temp = Arrays.copyOf(arr, fiboArray[k]);
		System.out.println("temp=" + Arrays.toString(temp));
        //[1, 13, 25, 37, 49, 51, 62, 68, 70, 80, 80, 0, 0]
		
		//对新构造的数组进行元素补充，补充为最高位的数值
		for (int i = high+1; i < temp.length; i++) {
			temp[i] = arr[high];
		}
		System.out.println("补充数值的temp=" + Arrays.toString(temp));
        //[1, 13, 25, 37, 49, 51, 62, 68, 70, 80, 80, 80, 80]
		
		while(low <= high){
			
			//数列左侧有f[k-1]个元素
			int mid = low + fiboArray[k-1] - 1;
			
			if(val < temp[mid]){
				// 目标值小于mid所在元素，在左侧查找
				high = mid-1;
				
				/*全部元素=前部元素+后部元素
                 * f[k]=f[k-1]+f[k-2]
                 * 因为左侧有f[k-1]个元素，所以可以继续拆分f[k-1]=f[k-2]+f[k-3]
                 * 即在f[k-1]的前部继续查找 所以k-=1
                 * 即下次循环 mid=f[k-1-1]-1
                 */
				k-=1;
			}else if(val > temp[mid]){
				// 目标值大于mid所在元素，在右侧查找
				low = mid+1;
				
				/*全部元素=前部元素+后部元素
                 * f[k]=f[k-1]+f[k-2]
                 * 因为右侧有f[k-2]个元素，所以可以继续拆分f[k-2]=f[k-3]+f[k-4]
                 * 即在f[k-2]的前部继续查找 所以k-=2
                 * 即下次循环 mid=f[k-1-2]-1
               	 */
				k -= 2;
				
			}else{
				
				// 定义放置索引下标的集合
				ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
				list.add(mid);
				
				int index = mid+1;
				while(index < arr.length){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
						index++;
					}else{
						break;
					}
				}
				index = mid-1;
				while(index > 0){
					if(arr[index] == val){
						list.add(index);
						index--;
					}else{
						break;
					}
				}
				return list;
			}
		}
		return null;
	}
	
	public static int[] getFiboArray(int maxSize){
		
		int[] fiboArray = new int[maxSize];
		
		fiboArray[0] = 1;
		fiboArray[1] = 1;
		
		for (int i = 2; i < fiboArray.length; i++) {
			fiboArray[i] = fiboArray[i-1] + fiboArray[i-2];
		}
		return fiboArray;
	}
}