数据结构与算法(二):查找算法

七大查找算法

Posted by Ted on February 1, 2015

定义

查找定义:根据给定的某个值,在查找表中确定一个其关键字等于给定值的数据元素(或记录)

平均查找长度(Average Search Length,ASL):需和指定key进行比较的关键字的个数的期望值,称为查找算法在查找成功时的平均查找长度。

  1. 顺序查找
  2. 二分查找
  3. 插值查找
  4. 斐波那契查找
  5. 分块查找
  6. 哈希查找
  7. 树表查找

一、顺序查找

顺序查找适合于存储结构为顺序存储或链接存储的线性表。

顺序查找也称为线形查找,属于无序查找算法。从数据结构线形表的一端开始,顺序扫描,依次将扫描到的结点关键字与给定值k相比较,若相等则表示查找成功;若扫描结束仍没有找到关键字等于k的结点,表示查找失败。

时间复杂度:O(n)

二、二分查找

元素必须是有序的,如果是无序的则要先进行排序操作。

也称为是折半查找,属于有序查找算法。用给定值k先与中间结点的关键字比较,中间结点把线形表分成两个子表,若相等则查找成功;若不相等,再根据k与该中间结点关键字的比较结果确定下一步查找哪个子表,这样递归进行,直到查找到或查找结束发现表中没有这样的结点。

时间复杂度:关键词比较次数为log2(n+1),且期望时间复杂度为O(log2n)

:折半查找的前提条件是需要有序表顺序存储,对于静态查找表,一次排序后不再变化,折半查找能得到不错的效率。但对于需要频繁执行插入或删除操作的数据集来说,维护有序的排序会带来不小的工作量,那就不建议使用。

三、插值查找

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。当然,差值查找也属于有序查找。

二分查找的查找点:mid=(low+high)/2, 即mid=low+1/2*(high-low);

插值查找的查找点:mid=low+(key-a[low])/(a[high]-a[low])*(high-low)

时间复杂度:O(log2(log2n))

注:对于表长较大,而关键字分布又比较均匀的查找表来说,插值查找算法的平均性能比折半查找要好的多。反之,数组中如果分布非常不均匀,那么插值查找未必是很合适的选择。

四、斐波那契查找(黄金分割查找)

基本思想: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。

  相对于折半查找,一般将待比较的key值与第mid=(low+high)/2位置的元素比较,比较结果分三种情况:

 1)相等,mid位置的元素即为所求

 2)>,low=mid+1;

​ 3)<,high=mid-1。

  斐波那契查找与折半查找很相似,他是根据斐波那契序列的特点对有序表进行分割的。他要求开始表中记录的个数为某个斐波那契数小1,及n=F(k)-1;

开始将k值与第F(k-1)位置的记录进行比较(及mid=low+F(k-1)-1),比较结果也分为三种

  1)相等,mid位置的元素即为所求

  2)>,low=mid+1,k-=2;

  说明:low=mid+1说明待查找的元素在[mid+1,high]范围内,k-=2 说明范围[mid+1,high]内的元素个数为n-(F(k-1))= Fk-1-F(k-1)=Fk-F(k-1)-1=F(k-2)-1个,所以可以递归的应用斐波那契查找。

  3)<,high=mid-1,k-=1。

  说明:low=mid+1说明待查找的元素在[low,mid-1]范围内,k-=1 说明范围[low,mid-1]内的元素个数为F(k-1)-1个,所以可以递归 的应用斐波那契查找。

  复杂度分析:最坏情况下,时间复杂度为O(log2n),且其期望复杂度也为O(log2n)。

五、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。

六、哈希查找

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。

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:O(1)

七、树表查找

待更新..