C++ 模板函数 二分查找
C++ 模板函数 二分查找
- 简单二分查找
- 使用模板函数实现二分查找
- 接收函数指针作为比较函数
- 进一步优化
简单二分查找
二分查找也称对半查找,是一种很常用的,高效率的搜索算法,时间复杂度为O(log N)。该算法假定要查找的数据已经升序排序完毕。算法的思路比较简单,在这里主要是作为一个C++模板函数的一次练习。
下面是百度百科上对二分查找查找过程的介绍,忘记了的同学可以看看。
首先,假设表中元素是按升序排列,将表中间位置记录的关键字与查找关键字比较,如果两者相等,则查找成功;否则利用中间位置记录将表分成前、后两个子表,如果中间位置记录的关键字大于查找关键字,则进一步查找前一子表,否则进一步查找后一子表。重复以上过程,直到找到满足条件的记录,使查找成功,或直到子表不存在为止,此时查找不成功。
先是简单的C++代码实现,最简单,常见的查找是对一个int数组进行查找:
int BinarySearch(const int arr[], const int &target, int array_size) {
int low, height, mid;
low = 0;
height = array_size - 1;
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (arr[mid] < target)
low = mid + 1;
else if (arr[mid] > target)
height = mid - 1;
else
return mid;
}
return -1;
}
使用模板函数实现二分查找
上面的代码实现了二分查找,但是存在一个问题是,该函数只能对int数组进行查找,其他类型无法调用该函数,如果我们有一个double数组,就需要再写一个几乎一模一样的函数。
对每种类型都需要写一个这样的函数无疑是很麻烦的,因此,使用C++的模板来解决这个问题
template<class T> int BinarySearch(const T arr[], const T &target, int array_size) {
int low, height, mid;
low = 0;
height = array_size - 1;
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (arr[mid] < target)
low = mid + 1;
else if (arr[mid] > target)
height = mid - 1;
else
return mid;
}
return -1;
}
将接受的数组和要查找的目标的参数类型用模板表示,该函数可以接受多种类型的参数。
接收函数指针作为比较函数
使用模板函数改造之后,我们的二分查找算法可以接受多种类型的参数,就不需要为每个类型写一个对应的二分查找算法,但是该函数还有一个问题:并不是每个类型都有"<“运算。我们自定义的类型很有可能没有重载”<“运算符,而且,有时候,对于特定的应用场景,可能重载的”<"运算符并不符合我们的需求,因此,我们的二次查找算法应该要能接收一个用户自定义的比较函数,使用该比较函数来进行查找。
template<class T>
int BinarySearch(const T elements[], const T &target,
int length, bool(*less)(const T &a, const T &b)) {
size_t low, mid, height;
low = 0;
height = length - 1;
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (less(elements[mid], target)) {
low = mid + 1;
} else if (less(target, elements[mid])) {
height = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
return -1;
}
进一步优化
上面的函数基本就可以接收任意类型,并且可以接收自定义的比较函数。但是还有几个小问题。
上面的函数里有一个参数:length用来表示数组的长度,可以通过在函数内部计算数组的长度来降低调用的负担:
size_t length = sizeof(elements) / sizeof(elements[0]);
另一个问题是,上面的代码相当于有两个函数:
template<class T> int BinarySearch(const T arr[], const T &target, int array_size);
template<class T> int BinarySearch(const T elements[], const T &target,
int length, bool(*less)(const T &a, const T &b));
C++会根据调用的参数个数来匹配调用那个函数,这个没什么问题,问题在于,这两个函数中的代码基本相似,如果以后要修改的话(如第一个问题说的将数组的长度交由函数计算),很可能需要同时对两个函数都进行修改,否则会导致两个函数表现出不同的行为,这显然是不好的结果,因此,将两个函数改造为:
template<class T> bool default_compare(const T &a, const T &b) {
return a < b;
}
template<class T> int BinarySearch(const T elements[], const T &target, bool(*less)(const T &a, const T &b)) {
size_t low, mid, height;
size_t length = sizeof(elements) / sizeof(elements[0]);
low = 0;
height = length - 1;
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (less(elements[mid], target)) {
low = mid + 1;
} else if (less(target, elements[mid])) {
height = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
return -1;
}
template<class T> int BinarySearch(const T elements[], const T &target) {
bool(*less)(const T &a, const T&b) = default_compare<T>;
return BinarySearch(elements, target, less);
}
但是上面代码增加了函数调用的开销,所以就有了下面的代码:
template<class T> int BinarySearch(const T elements[], const T &target, bool(*less)(const T &a, const T &b) = nullptr) {
int low, mid, height;
int length = sizeof(elements) / sizeof(elements[0]);
low = 0;
height = length - 1;
if (less != nullptr) {
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (less(elements[mid], target)) {
low = mid + 1;
} else if (less(target, elements[mid])) {
height = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
} else {
while (low <= height) {
mid = (low + height) / 2;
if (elements[mid] < target) {
low = mid + 1;
} else if (target < elements[mid]) {
height = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
}
return -1;
}
但是代码看起来又有很多的重复…
所以需要在优雅的代码的效率之间权衡吗,哪位大佬有解决的方法,告诉一下本菜鸟,万分感谢!!!
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