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Lecture 25：顺序查找和折半查找

408 学习笔记：Lecture 25：顺序查找和折半查找。保留原有知识内容、公式与图示；有对应原件时提供查看和下载入口。

408 计算机记录日期约 6 分钟阅读
408数据结构
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三种方法都基于线性表，但使用前提不同：顺序查找几乎没有前提；折半查找要求有序顺序表；分块查找要求块间有序、块内可无序。做题时先判断数据是否有序、是否能随机访问，再选算法。

25.1 顺序查找

25.1.1 基本思想与普通实现

定义：#顺序查找 #线性查找

描述：从表的一端开始，依次将待查关键字与表中元素的关键字比较，直到找到相等元素或扫描完表。顺序查找适用于顺序表和链表，也不要求表有序。

typedef struct {
    ElemType *elem;
    int TableLen;
} SSTable;

int Search_Seq(SSTable ST, ElemType key) {
    for (int i = 0; i < ST.TableLen; ++i)
        if (ST.elem[i] == key)
            return i;
    return -1;
}
复杂度：
  • 最好情况：第一个元素即为目标，比较 $1$ 次。
  • 最坏情况：目标在最后，或目标不存在，比较 $n$ 次。
  • 时间复杂度为 $O(n)$；额外空间复杂度为 $O(1)$。
  • 等概率成功查找时，第 $i$ 个被比较到的元素查找长度为 $i$：

$$ ASL_{\text{成功}}=\frac{1+2+\cdots+n}{n}=\frac{n+1}{2} $$

25.1.2 哨兵优化

定义：#哨兵

描述：在顺序表的约定位置暂存待查关键字，使循环只需判断“当前元素是否等于关键字”，省去每轮边界判断。

// 约定 elem[1..TableLen] 存真实记录，elem[0] 是保留的哨兵位
int Search_Seq_Sentinel(SSTable ST, ElemType key) {
    ST.elem[0] = key;
    int i = ST.TableLen;
    while (ST.elem[i] != key)
        --i;
    return i;  // i==0 表示失败；否则为真实记录位置
}
  • 哨兵只减少循环中的控制判断，不改变顺序查找的渐进复杂度。
  • 必须确认数组预留了下标 $0$；若所有位置都存真实数据，直接写 elem[0] 会破坏记录。
  • 失败时会最终与哨兵比较，统计查找长度时要按题目对“关键字比较”的约定计算，不能把优化后的代码与普通实现的比较次数混写。

25.1.3 有序表与按概率调整

有序顺序表的提前失败：
  • 若表按递增顺序存储，比较到当前元素 x 且 $x>key$ 时，就可立即判定 key 不在表中；无需扫描后续更大的元素。
  • 成功查找仍可能要线性扫描，故最坏时间复杂度仍为 $O(n)$。
  • 判定树中，圆形结点通常表示成功关键字，方形外部结点表示落在两个相邻关键字之间或两端的失败结果，共有 $n+1$ 个失败结点。

DS-L25-有序顺序查找判定树.png

成功结点的查找长度等于所在层数；失败结点本身不再对应一次关键字比较，因此失败查找长度等于其父结点所在层数。

按查找概率排序：
  • 访问概率大的记录应靠前放置，以减小 $\sum P_iC_i$。
  • 这只能改善成功查找的平均长度；查找失败仍要比较到足以确定不存在的位置。
  • 若记录频繁增删或概率会变化，为维持这种次序而付出的成本也应纳入考虑。

例如 6 个关键字的查找概率分别为 $15%,5%,10%,40%,28%,2%$。按概率从大到小排列为 $29,37,7,19,13,43$ 后：

$$ \begin{aligned} ASL_{\text{成功}} &=1\times0.40+2\times0.28+3\times0.15\ &\quad+4\times0.10+5\times0.05+6\times0.02\ &=2.18 \end{aligned} $$

25.2 折半查找

25.2.1 使用条件与过程

定义：#折半查找 #二分查找

描述：在有序表中取中间元素与 key 比较；若不相等，则根据大小关系将查找区间缩小到左半或右半，直到找到目标或区间为空。

使用条件：
  • 表必须按关键字有序；递增或递减均可，但比较分支必须一致。
  • 必须能够直接访问中间位置，因此通常用于顺序表。链表虽有序，却不能在 $O(1)$ 时间定位中点，不能据此获得二分查找的 $O(\log n)$ 效率。
  • 若有重复关键字，普通实现返回其中一个匹配位置；要找第一个或最后一个匹配位置时，成功后仍需继续收缩区间。
// L.elem[0..TableLen-1] 按非降序排列
int Binary_Search(SSTable L, ElemType key) {
    int low = 0, high = L.TableLen - 1;
    while (low <= high) {
        int mid = low + (high - low) / 2;
        if (L.elem[mid] == key)
            return mid;
        else if (L.elem[mid] > key)
            high = mid - 1;
        else
            low = mid + 1;
    }
    return -1;
}
循环不变式：
  • 每次循环开始时，若 key 存在，它一定处于闭区间 [low, high]。
  • L.elem[mid] > key 时，mid 及其右侧均不可能是目标，故令 high=mid-1。
  • L.elem[mid] < key 时，mid 及其左侧均不可能是目标，故令 low=mid+1。
  • 循环以 low > high 结束才表示失败；写成 low >= high 会漏检仅剩一个元素的区间。

DS-L25-折半查找区间划分.png

11 个元素时首轮左右各剩 5 个；子区间含偶数个元素时，mid 的取整规则会决定左少右多还是左多右少，并且每个子问题必须沿用同一种规则。

25.2.2 判定树与效率

折半查找判定树：
  • 成功结点是表中关键字，所在层数即成功查找长度；失败结点对应关键字之间的 $n+1$ 个空隙。
  • 使用 mid=\lfloor(low+high)/2\rfloor 时，奇数个元素会被均分；偶数个元素的左半部分比右半部分少一个元素。
  • 不同的 mid 取整规则会导致左右子树哪边多一个结点不同，但树高和 $O(\log n)$ 量级不变。
  • 对不含重复关键字的有序表，判定树同时满足二叉排序树性质；任一结点的左右子树高度差不超过 $1$，但它不一定是完全二叉树。

DS-L25-折半查找判定树.png

圆形结点是 $n$ 个成功结点，方形外部结点是 $n+1$ 个失败结果。使用向下取整时，偶数规模子问题表现为左少右多。

含 $n\ge1$ 个成功结点时，根按第 $1$ 层计，判定树高度为：

$$ h=\left\lceil\log_2(n+1)\right\rceil $$

因此成功与失败的查找长度均不超过 $h$，折半查找时间复杂度为：

$$ O(\log n) $$

常见误区：
  • “有序”是必要条件，但不是充分条件；链表有序也不适合直接二分。
  • 折半查找不一定在每个具体样例中都比顺序查找快。例如目标恰在表首，顺序查找只比较一次。
  • 判定树的形状由元素个数和 mid 规则决定，与关键字具体数值无关；但必须同时满足二叉排序树的大小关系。

题型：#折半查找判定树

第一部分：解题方法

  1. 根据题目给出的 mid 定义确定偶数段是左少右多，还是左多右少。
  2. 从根结点开始检查：左右子树结点数差必须符合该取整规则；子问题仍用同一规则递归划分。
  3. 检查中序遍历是否为有序序列；只有“看起来平衡”不足以说明它是正确的折半查找判定树。
  4. 需要 ASL 时，成功查找用内部结点层数作比较次数；失败查找用到达外部结点前经过的内部结点数作比较次数，再分别按成功或失败结果的概率求平均。

第二部分：典型例题

长度为 $11$ 的有序表，成功结点各层数为 $1,2,4,4$；若各关键字等概率被查找，则：

$$ ASL_{\text{成功}}= \frac{1\times1+2\times2+3\times4+4\times4}{11}=3 $$

若 $12$ 个失败区间等概率被查找，其中 $4$ 个需比较 $3$ 次、$8$ 个需比较 $4$ 次，则：

$$ ASL_{\text{失败}}= \frac{3\times4+4\times8}{12}=\frac{11}{3} $$

若根结点记为第 $1$ 层，图中对应的外部失败结点实际上分别位于第 $4$、$5$ 层；外部结点本身不进行关键字比较，因此不能把外部层数直接代入分子。

第三部分：2017 统考判定树辨析

DS-L25-判定树真题.png

答案为 A。题目只问“可能”，没有限定 mid 的取整方向；A 的根左右子树分别有 $5$ 和 $4$ 个结点，可视为采用向上取整。继续递归检查时，规模相同的子问题结构一致，偶数规模也始终保持左多右少。其余选项会在某一层出现“相同规模却结构不同”或前后取整规则不一致。若题目明确限定本节代码的向下取整，则应始终按左少右多检查。

25.3 分块查找

25.3.1 结构与过程

定义：#分块查找 #索引顺序查找

描述：将查找表分成若干块，建立索引表。索引表记录每块的最大关键字和该块的存储范围；查找时先在索引表确定目标块，再在块内顺序查找。

  • 块间有序：前一块的最大关键字小于后一块的最小关键字；各块在物理位置上不要求整体连续递增。
  • 块内可无序：因此进入块后一般使用顺序查找。
  • 索引表本身可用顺序查找，也可用折半查找；后者要求索引表有序且可随机访问。
typedef struct {
    ElemType maxValue;
    int low, high;  // 对应块在实际顺序表中的边界
} Index;

DS-L25-分块查找索引.png

索引项保存块内最大关键字和块的边界。先找到第一个“最大关键字不小于 key”的索引项，再只在对应块内顺序查找。

源 PDF 图中的 14 个元素分为 5 块，索引最大值和区间依次为 10:[0,1]、20:[2,5]、30:[6,8]、40:[9,10]、50:[11,13]。例如查找 27 时，第一个最大值不小于 27 的索引项是 30:[6,8]，只需在该块的 27,22,30 中顺序查找，而不必扫描其他块。

25.3.2 均匀分块的 ASL

设表长为 $n$，均分为 $b$ 块，每块有 $s$ 个元素，则 $n=bs$。在成功查找、各记录等概率，且索引表和块内都采用顺序查找时：

$$ \begin{aligned} ASL_{\text{成功}} &= ASL_{\text{索引}}+ASL_{\text{块内}}\ &=\frac{b+1}{2}+\frac{s+1}{2}\ &=\frac{n}{2s}+\frac{s}{2}+1 \end{aligned} $$

将 $s$ 暂按正实数处理，算式在 $s=\sqrt n$ 时取得理论最小值：

$$ ASL_{\min}=\sqrt n+1 $$

  • 这个结论有前提：均匀分块、等概率、两阶段都顺序查找。
  • 实际块长 $s$ 和块数 $b$ 必须是整数；若还要求 $n=bs$ 且每块完全等长，应在可行的整数分块方案中选接近 $\sqrt n$ 的值。$\sqrt n+1$ 是连续变量模型的下界，不保证任意 $n$ 都能恰好达到。
  • 不要把分块查找简单记成 $O(\sqrt n)$ 后就忽略块数、索引方式和实际分布；题目条件改变时需重新计算。

相关知识

25.4 本节复盘

  • 顺序查找适用面最广，等概率成功时 $ASL=\frac{n+1}{2}$，时间复杂度 $O(n)$。
  • 折半查找要求有序顺序表，每次缩小一半区间，时间复杂度 $O(\log n)$。
  • 分块查找在“块间有序、块内无序”之间折中；均匀分块的最佳块长约为 $\sqrt n$。
  • 先判断前提，再讨论效率；不要只因“有序”或“树很平衡”就跳过具体实现条件。