查找算法

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顺序查找

顺序查找(Sequential Search)又称线性查找。从表中第一个(或最后一个)记录开始,逐个进行记录的关键字和给定值比较,若某个记录的关键字和给定值相等,则查找成功,如果查找到表中最后一个元素,还没有找到,则查找不成功。

二分查找

二分查找(Binary Search)又称折半查找。它的前提是线性表中的记录必须是关键码有序,线性表必须采用顺序存储。折半查找的基本思想是:在有序表中,取中间记录作为比较对象,若给定值与中间记录的关键字相等,则查找成功;若给定值小于中间记录的关键字,则在中间记录的左半区继续查找;若给定值大于中间记录的关键字,则在中间记录的右半区继续查找。不断重复上述过程,直到查找成功,或所有查找区域无记录,查找失败为止。

基于二分查找算法,将查找点的选择改进为自适应选择,可以提高查找效率。即根据要查找的关键字key与查找表中最大最小记录的关键字比较后的查找方法,其核心就在于插值的计算公式mid=low+(key-a[low])/(a[high]-a[low])(high-low),替换了二分查找的计算公式mid=low+1/2(high-low)。

这样的好处在于,对表长较长,且关键字分布比较均匀,插值查找算法的平均性能要比折半查找要好的多。但是如果表中关键字分布极端不均匀,那么插值查找还不如折半查找呢。

也是一种改进的二分查找,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。

斐波那契查找的整个过程可以分为:

  • 构建斐波那契数列;
  • 计算数组长度对应的斐波那契数列元素个数;
  • 对数组进行填充;
  • 循环进行区间分割,查找中间值;
  • 判断中间值和目标值的关系,确定更新策略;

二叉树查找

对二叉查找树进行中序遍历,即可得到有序的数列。

平衡树

2-3查找树

红黑树

B树(B_树)、B+树

B树也称B-树,它是一颗多路平衡查找树

分块查找

分块查找又称索引顺序查找,它是顺序查找的一种改进方法。
  算法思想:将n个数据元素”按块有序”划分为m块(m ≤ n)。每一块中的结点不必有序,但块与块之间必须”按块有序”;即第1块中任一元素的关键字都必须小于第2块中任一元素的关键字;而第2块中任一元素又都必须小于第3块中的任一元素,……
  算法流程:
  step1 先选取各块中的最大关键字构成一个索引表;
  step2 查找分两个部分:先对索引表进行二分查找或顺序查找,以确定待查记录在哪一块中;然后,在已确定的块中用顺序法进行查找。

哈希查找

我们使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数(哈希函数, 也叫做散列函数),使得每个元素的关键字都与一个函数值(即数组下标)相对应,于是用这个数组单元来存储这个元素;也可以简单的理解为,按照关键字为每一个元素”分类”,然后将这个元素存储在相应”类”所对应的地方。但是,不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的,因此极有可能出现对于不同的元素,却计算出了相同的函数值,这样就产生了”冲突”,换句话说,就是把不同的元素分在了相同的”类”之中。后面我们将看到一种解决”冲突”的简便做法。
  总的来说,”直接定址”与”解决冲突”是哈希表的两大特点。

  什么是哈希函数?

  哈希函数的规则是:通过某种转换关系,使关键字适度的分散到指定大小的的顺序结构中,越分散,则以后查找的时间复杂度越小,空间复杂度越高。

  算法思想:哈希的思路很简单,如果所有的键都是整数,那么就可以使用一个简单的无序数组来实现:将键作为索引,值即为其对应的值,这样就可以快速访问任意键的值。这是对于简单的键的情况,我们将其扩展到可以处理更加复杂的类型的键。

  算法流程:
  1)用给定的哈希函数构造哈希表;
  2)根据选择的冲突处理方法解决地址冲突;
    常见的解决冲突的方法:拉链法和线性探测法。详细的介绍可以参见:浅谈算法和数据结构: 十一 哈希表。
  3)在哈希表的基础上执行哈希查找。
  哈希表是一个在时间和空间上做出权衡的经典例子。如果没有内存限制,那么可以直接将键作为数组的索引。那么所有的查找时间复杂度为O(1);如果没有时间限制,那么我们可以使用无序数组并进行顺序查找,这样只需要很少的内存。哈希表使用了适度的时间和空间来在这两个极端之间找到了平衡。只需要调整哈希函数算法即可在时间和空间上做出取舍。

  复杂度分析:

  单纯论查找复杂度:对于无冲突的Hash表而言,查找复杂度为O(1)(注意,在查找之前我们需要构建相应的Hash表)。

  使用Hash,我们付出了什么?
  我们在实际编程中存储一个大规模的数据,最先想到的存储结构可能就是map,也就是我们常说的KV pair,经常使用Python的博友可能更有这种体会。使用map的好处就是,我们在后续处理数据处理时,可以根据数据的key快速的查找到对应的value值。map的本质就是Hash表,那我们在获取了超高查找效率的基础上,我们付出了什么?

  Hash是一种典型以空间换时间的算法,比如原来一个长度为100的数组,对其查找,只需要遍历且匹配相应记录即可,从空间复杂度上来看,假如数组存储的是byte类型数据,那么该数组占用100byte空间。现在我们采用Hash算法,我们前面说的Hash必须有一个规则,约束键与存储位置的关系,那么就需要一个固定长度的hash表,此时,仍然是100byte的数组,假设我们需要的100byte用来记录键与位置的关系,那么总的空间为200byte,而且用于记录规则的表大小会根据规则,大小可能是不定的。


参考