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arrays - array.count 和 array[0 ...< index] 会减慢二进制搜索的速度吗？

问题描述

今天我做了一个工作测试，被要求搜索一个整数数组，这就是问题：

本练习的目标是检查数组中是否存在数字。

规格：

这些项目是按升序排列的整数。

该数组最多可包含 100 万个项目

实现函数existsInArray(_ numbers: [Int], _ k: Int)如果k属于numbers则返回true，否则函数应该返回false。

例子：

let numbers = [-9, 14, 37, 102]
existsInArray(numbers, 102) // returns true
existsInArray(numbers, 36) //returns false

注意：尽量节省 CPU 周期

好的，所以我给出了我的答案，即下面的代码并等待结果

func existsInArray(_ numbers: [Int], _ k: Int) -> Bool {
    if numbers.isEmpty {
        return false
    }
    let numbersHalfIndex: Int = (numbers.count/2)
    if k == numbers[numbersHalfIndex] {
        return true
    } else if k != numbers[0] && numbers.count == 1 {
        return false
    } else if k <= numbers[numbersHalfIndex] {
        let leftHalfNumbersArray = numbers[0 ..< numbersHalfIndex]
        return existsInArray(Array(leftHalfNumbersArray), k)
    } else if k > numbers[numbersHalfIndex] {
        let rightHalfNumbersArray = numbers[numbersHalfIndex ..< numbers.count]
        return existsInArray(Array(rightHalfNumbersArray), k)
    } else {
        return false
    }
}

事实证明，“解决方案无法在合理的时间内使用 100 万个项目”，现在我不知道我做错了什么，因为二进制搜索的速度非常快。

我唯一的猜测是number.count或numbers[0 ...< numbersHalfIndex]或numbers[numbersHalfIndex ...< number.count] 可能会使一切都比预期的要慢。

我是绊倒还是什么？

编辑：如果有人好奇，我测试了我的代码和 Martin R 代码，看看使用 ArraySlice 对时间的影响有多大。我使用了一个从 0 开始按升序排列的 100.000.000 个元素的数组。这是我捕获时间的方法：

print("////////// MINE //////////")
var startTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent()
print(existsInArray(numbers, 0))
var timeElapsed = CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime
print("Time elapsed for mine: \(timeElapsed) s.")

print("////////// Martin R //////////")
counter = 0
startTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent()
print(existsInArrayOptimal(numbers, 0))
timeElapsed = CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime
print("Time elapsed for Martin R: \(timeElapsed) s.")

结果如下：

////////// 矿 //////////

真的

我的时间过去了：

1.2008800506591797 秒。

///////// 马丁 R //////////

真的

Martin R 经过的时间：0.00012993812561035156 秒。

它快了大约 1000 倍！

标签： arraysswiftalgorithmtestingbinary-search

解决方案

访问number.count不是问题，因为这是数组的 O(1) 操作。切片numbers[0 ...< numbersHalfIndex]也不是问题。但是Array(leftHalfNumbersArray)从切片创建一个新数组，并复制所有元素。

有两种可能的方法可以避免这种情况：

  • 更新数组索引（用于当前搜索范围的下限和上限），而不是创建向下递归传递的数组。
  • 将数组切片向下传递。切片与原始数组共享元素（只要它们没有变异）。

第二种方法的演示：

func existsInArray(_ numbers: ArraySlice<Int>, _ k: Int) -> Bool {
    if numbers.isEmpty {
        return false
    }
    let numbersHalfIndex = numbers.startIndex + numbers.count / 2
    if k == numbers[numbersHalfIndex] {
        return true
    } else if k < numbers[numbersHalfIndex] {
        return existsInArray(numbers[..<numbersHalfIndex], k)
    } else {
        return existsInArray(numbers[(numbersHalfIndex + 1)...], k)
    }
}

请注意，数组切片与原始数组共享它们的索引，因此索引不一定从零开始。这就是为什么numbers.startIndex用于指数计算。

还有一个包装函数，它接受一个“真实的”数组参数：

func existsInArray(_ numbers: [Int], _ k: Int) -> Bool {
    return existsInArray(numbers[...], k)
}

正如@Leo 建议的那样，您可以将其实现为一个集合方法，而不是实现两个单独的方法。集合索引不一定是整数，但对于 a 来说RandomAccessCollection，索引计算保证为 O(1)。您还可以将其推广到任意可比较元素的集合而不是整数。

这是一个可能的实现：

extension RandomAccessCollection where Element: Comparable {
    /// Returns a Boolean value indicating whether the collection contains the
    /// given element. It is assumed that the collection elements are sorted
    /// in ascending (non-decreasing) order. 
    ///
    /// - Parameter element: The element to find in the collection.
    /// - Returns: `true` if the element was found in the collection; otherwise,
    ///   `false`.
    ///
    /// - Complexity: O(log(*n*)), where *n* is the size of the collection.
    func binarySearch(for element: Element) -> Bool {
        if isEmpty {
            return false
        }
        let midIndex = index(startIndex, offsetBy: count / 2)
        if element == self[midIndex] {
            return true
        } else if element < self[midIndex] {
            return self[..<midIndex].binarySearch(for: element)
        } else {
            return self[index(after: midIndex)...].binarySearch(for: element)
        }
    }
}

用法：

let numbers = [-9, 14, 37, 102]
print(numbers.binarySearch(for: 102)) // true
print(numbers.binarySearch(for: 36))  // false

或者，一种更新搜索范围索引的非递归方法：

extension RandomAccessCollection where Element: Comparable {
    func binarySearch(for element: Element) -> Bool {
        var lo = startIndex
        var hi = endIndex

        while lo < hi {
            let mid = index(lo, offsetBy: distance(from: lo, to: hi) / 2)
            if element == self[mid] {
                return true
            } else if element < self[mid] {
                hi = mid
            } else {
                lo = index(after: mid)
            }
        }
        return false
    }
}

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