七大查找算法
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查找算法分类:
- 1)静态查找和动态查找;
注:静态或者动态都是针对查找表而言的。动态表指查找表中有删除和插入操作的表。 - 2)无序查找和有序查找。
- 无序查找:被查找数列有序无序均可;
- 有序查找:被查找数列必须为有序数列。
1. 顺序查找
挨个查找,不用多说,时间复杂度为O(n);
2. 二分查找
说明元素必须是有序的,如果是无序的则要先进行排序操作。
基本思想: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。
- 复杂度分析:最坏情况下,关键词比较次数为log2(n+1),且期望时间复杂度为O(log2n);//插值查找
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57//二分查找(折半查找),版本1
int BinarySearch1(int a[], int value, int n)
{
int low, high, mid;
low = 0;
high = n-1;
while(low<=high)
{
mid = (low+high)/2;
if(a[mid]==value)
return mid;
if(a[mid]>value)
high = mid-1;
if(a[mid]<value)
low = mid+1;
}
return -1;
}
//二分查找,递归版本
int BinarySearch2(int a[], int value, int low, int high)
{
int mid = low+(high-low)/2;
if(a[mid]==value)
return mid;
if(a[mid]>value)
return BinarySearch2(a, value, low, mid-1);
if(a[mid]<value)
return BinarySearch2(a, value, mid+1, high);
}
```
## 3. 插值查找
在介绍插值查找之前,首先考虑一个新问题,为什么上述算法一定要是折半,而不是折四分之一或者折更多呢?
打个比方,在英文字典里面查“apple”,你下意识翻开字典是翻前面的书页还是后面的书页呢?如果再让你查“zoo”,你又怎么查?很显然,这里你绝对不会是从中间开始查起,而是有一定目的的往前或往后翻。<
同样的,比如要在取值范围1 ~ 10000 之间 100 个元素从小到大均匀分布的数组中查找5, 我们自然会考虑从数组下标较小的开始查找。
经过以上分析,折半查找这种查找方式,不是自适应的(也就是说是傻瓜式的)。二分查找中查找点计算如下:
mid=(low+high)/2, 即mid=low+1/2*(high-low);
通过类比,我们可以将查找的点改进为如下:
mid=low+(key-a[low])/(a[high]-a[low])*(high-low),
也就是将上述的比例参数1/2改进为自适应的,根据关键字在整个有序表中所处的位置,让mid值的变化更靠近关键字key,这样也就间接地减少了比较次数。
* 基本思想: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。
* 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。
**如果分布比较均匀,插值查找比二分查找快,如果分布不均匀,二分查找比较快**
* 复杂度分析:查找成功或者失败的时间复杂度均为O(log2(log2n))。
int InsertionSearch(int a[], int value, int low, int high)
{
int mid = low+(value-a[low])/(a[high]-a[low])*(high-low);
if(a[mid]==value)
return mid;
if(a[mid]>value)
return InsertionSearch(a, value, low, mid-1);
if(a[mid]<value)
return InsertionSearch(a, value, mid+1, high);
}1
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## 4. 斐波那契查找
在介绍斐波那契查找算法之前,我们先介绍一下很它紧密相连并且大家都熟知的一个概念——黄金分割。
黄金比例又称黄金分割,是指事物各部分间一定的数学比例关系,即将整体一分为二,较大部分与较小部分之比等于整体与较大部分之比,其比值约为1:0.618或1.618:1。
0.618被公认为最具有审美意义的比例数字,这个数值的作用不仅仅体现在诸如绘画、雕塑、音乐、建筑等艺术领域,而且在管理、工程设计等方面也有着不可忽视的作用。因此被称为黄金分割。
大家记不记得斐波那契数列:1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89…….(从第三个数开始,后边每一个数都是前两个数的和)。然后我们会发现,随着斐波那契数列的递增,前后两个数的比值会越来越接近0.618,利用这个特性,我们就可以将黄金比例运用到查找技术中。
* 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)。
```const int max_size=20;//斐波那契数组的长度
/*构造一个斐波那契数组*/
void Fibonacci(int * F)
{
F[0]=0;
F[1]=1;
for(int i=2;i<max_size;++i)
F[i]=F[i-1]+F[i-2];
}
/*定义斐波那契查找法*/
int FibonacciSearch(int *a, int n, int key) //a为要查找的数组,n为要查找的数组长度,key为要查找的关键字
{
int low=0;
int high=n-1;
int F[max_size];
Fibonacci(F);//构造一个斐波那契数组F
int k=0;
while(n>F[k]-1)//计算n位于斐波那契数列的位置
++k;
int * temp;//将数组a扩展到F[k]-1的长度
temp=new int [F[k]-1];
memcpy(temp,a,n*sizeof(int));
for(int i=n;i<F[k]-1;++i)
temp[i]=a[n-1];
while(low<=high)
{
int mid=low+F[k-1]-1;
if(key<temp[mid])
{
high=mid-1;
k-=1;
}
else if(key>temp[mid])
{
low=mid+1;
k-=2;
}
else
{
if(mid<n)
return mid; //若相等则说明mid即为查找到的位置
else
return n-1; //若mid>=n则说明是扩展的数值,返回n-1
}
}
delete [] temp;
return -1;
}
int main()
{
int a[] = {0,16,24,35,47,59,62,73,88,99};
int key=100;
int index=FibonacciSearch(a,sizeof(a)/sizeof(int),key);
cout<<key<<" is located at:"<<index;
return 0;
}
5. 树表查找
5.1 最简单的树表查找算法——二叉树查找算法。
基本思想:二叉查找树是先对待查找的数据进行生成树,确保树的左分支的值小于右分支的值,然后在就行和每个节点的父节点比较大小,查找最适合的范围。 这个算法的查找效率很高,但是如果使用这种查找方法要首先创建树。
二叉查找树(BinarySearch Tree,也叫二叉搜索树,或称二叉排序树Binary Sort Tree)或者是一棵空树,或者是具有下列性质的二叉树:
1)若任意节点的左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值;
2)若任意节点的右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值;
3)任意节点的左、右子树也分别为二叉查找树。
二叉查找树性质:对二叉查找树进行中序遍历,即可得到有序的数列。
不同形态的二叉查找树如下图所示:
- 复杂度分析:它和二分查找一样,插入和查找的时间复杂度均为O(logn),但是在最坏的情况下仍然会有O(n)的时间复杂度。原因在于插入和删除元素的时候,树没有保持平衡(比如,我们查找上图(b)中的“93”,我们需要进行n次查找操作)。我们追求的是在最坏的情况下仍然有较好的时间复杂度,这就是平衡查找树设计的初衷。
基于二叉查找树进行优化,进而可以得到其他的树表查找算法,如平衡树、红黑树等高效算法。
5.2 平衡查找树之2-3查找树(2-3 Tree)
2-3查找树定义:和二叉树不一样,2-3树运行每个节点保存1个或者两个的值。对于普通的2节点(2-node),他保存1个key和左右两个自己点。对应3节点(3-node),保存两个Key,2-3查找树的定义如下:
1)要么为空,要么:
2)对于2节点,该节点保存一个key及对应value,以及两个指向左右节点的节点,左节点也是一个2-3节点,所有的值都比key要小,右节点也是一个2-3节点,所有的值比key要大。
3)对于3节点,该节点保存两个key及对应value,以及三个指向左中右的节点。左节点也是一个2-3节点,所有的值均比两个key中的最小的key还要小;中间节点也是一个2-3节点,中间节点的key值在两个跟节点key值之间;右节点也是一个2-3节点,节点的所有key值比两个key中的最大的key还要大。
2-3查找树的性质:
1)如果中序遍历2-3查找树,就可以得到排好序的序列;
2)在一个完全平衡的2-3查找树中,根节点到每一个为空节点的距离都相同。(这也是平衡树中“平衡”一词的概念,根节点到叶节点的最长距离对应于查找算法的最坏情况,而平衡树中根节点到叶节点的距离都一样,最坏情况也具有对数复杂度。)
- 复杂度分析:
2-3树的查找效率与树的高度是息息相关的。
在最坏的情况下,也就是所有的节点都是2-node节点,查找效率为lgN
在最好的情况下,所有的节点都是3-node节点,查找效率为log3N约等于0.631lgN
距离来说,对于1百万个节点的2-3树,树的高度为12-20之间,对于10亿个节点的2-3树,树的高度为18-30之间。
5.3 平衡查找树之红黑树(Red-Black Tree)
2-3查找树能保证在插入元素之后能保持树的平衡状态,最坏情况下即所有的子节点都是2-node,树的高度为lgn,从而保证了最坏情况下的时间复杂度。但是2-3树实现起来比较复杂,于是就有了一种简单实现2-3树的数据结构,即红黑树(Red-Black Tree)。
基本思想:红黑树的思想就是对2-3查找树进行编码,尤其是对2-3查找树中的3-nodes节点添加额外的信息。红黑树中将节点之间的链接分为两种不同类型,红色链接,他用来链接两个2-nodes节点来表示一个3-nodes节点。黑色链接用来链接普通的2-3节点。特别的,使用红色链接的两个2-nodes来表示一个3-nodes节点,并且向左倾斜,即一个2-node是另一个2-node的左子节点。这种做法的好处是查找的时候不用做任何修改,和普通的二叉查找树相同。
跳跃表
本文字数: 37 阅读时长 ≈ 1 分钟
和B+树很像,不过B+树插入需要Rebalance进行树重调整。
Mysql索引B+树
本文字数: 308 阅读时长 ≈ 1 分钟
B - 树(Balance Tree)
二叉查找树的时间复杂度是O(log(n)) 已经够快了,但是二叉查找树的查找速度取决于树的高度。
B - 树,每个节点包含最多k个孩子,k被称为阶,k的大小取决于磁盘页的大小。
一个 m 阶的 B 树具有如下几个特征
- 根节点至少有两个子女。
- 每个中间节点包含k-1个元素和k个孩子,其中m/2 <= k <= m
- 每个叶子节点都包含k-1个元素,其中 m/2 <= k <=m
- 所有叶子节点都位于同一层
- 每个节点中的元素从小到大排列,节点当中 k-1 个元素正好是 k 个孩子包含的元素的值域分划。
B+树
在b-树基础上进行改造,将索引全部建在叶子节点上,非叶子节点指向叶子节点的大小。
100块钱可以兑换50块、10块、5块、1块的算法
本文字数: 760 阅读时长 ≈ 1 分钟
最先想到的当然是for循环了:
1 | public static void main(String[] args) { |
很容易得出结果154.但是耗费时间为 1501038954420 - 1501038954413 =7;
虽然时间耗费不是很多,但是通过打印信息可以看出来,50为2的时候只有一种情况,却空跑了很多空循环。
SpringCloud学习5路由网关(zuul)
本文字数: 1.4k 阅读时长 ≈ 1 分钟
在微服务架构中,需要几个关键的组件,服务注册与发现、服务消费、负载均衡、断路器、智能路由、配置管理等,由这几个组件可以组建一个简单的微服务架构,如下图:
注意:A 服务和 B 服务是可以相互调用的,作图的时候忘记了。并且配置服务也是注册到服务注册中心的。
客户端的请求首先经过负载均衡(zuul、Ngnix),再到达服务网关(zuul 集群),然后再到具体的服务,服务统一注册到高可用的服务注册中心集群,服务的所有的配置文件由配置服务管理(下一篇文章讲述),配置服务的配置文件放在 Git 仓库,方便开发人员随时改配置。
一、Zuul 简介
Zuul 的主要功能是路由和过滤器。路由功能是微服务的一部分,比如/api/user 映射到 user 服务,/api/shop 映射到 shop 服务。zuul 实现了负载均衡。
zuul 有以下功能:
Authentication
Insights
Stress Testing
Canary Testing
Dynamic Routing
Service Migration
Load Shedding
Security
Static Response handling
Active/Active traffic management
二、准备工作
继续使用上一节的工程。在原有的工程上,创建一个新的工程。
三、创建 service-zuul 工程
<dependency>
<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
<artifactId>spring-cloud-starter-eureka</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
<artifactId>spring-cloud-starter-zuul</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
<scope>test</scope>
</dependency>
在其入口 applicaton 类加上注解 @EnableZuulProxy,开启 zuul:
filterType:返回一个字符串代表过滤器的类型,在 zuul 中定义了四种不同生命周期的过滤器类型,具体如下:
pre:路由之前
routing:路由之时
post: 路由之后
error:发送错误调用
filterOrder:过滤的顺序
shouldFilter:这里可以写逻辑判断,是否要过滤,本文 true, 永远过滤。
run:过滤器的具体逻辑。可用很复杂,包括查 sql,nosql 去判断该请求到底有没有权限访问。
SpringCloud学习4断路器(Hystrix)
本文字数: 980 阅读时长 ≈ 1 分钟
在微服务架构中,我们将业务拆分成一个个的服务,服务与服务之间可以相互调用(RPC)。为了保证其高可用,单个服务又必须集群部署。由于网络原因或者自身的原因,服务并不能保证服务的 100% 可用,如果单个服务出现问题,调用这个服务就会出现网络延迟,此时若有大量的网络涌入,会形成任务累计,导致服务瘫痪,甚至导致服务 “雪崩”。
为了解决这个问题,就出现断路器模型。
断路器简介
- Netflix 已经创建了一个名为 Hystrix 的库来实现断路器模式。 在微服务架构中,多层服务调用是非常常见的。
- 较底层的服务如果出现故障,会导致连锁故障。当对特定的服务的调用达到一个阀值(hystric 是 5 秒 20 次) 断路器将会被打开。
- 断路打开后,可用避免连锁故障,fallback 方法可以直接返回一个固定值。
在 ribbon 使用断路器
改造 serice-ribbon 工程的代码:
在 pox.xml 文件中加入:
org.springframework.cloud spring-cloud-starter-hystrix 在程序的入口类加 @EnableHystrix:
改造 HelloService 类,加上 @HystrixCommand,并指定 fallbackMethod 方法。
Feign 中使用断路器
如果你使用了 feign,feign 是自带断路器的,并且是已经打开了。如果使用 feign 不想用断路器的话,可以在配置文件中关闭它,配置如下:
feign.hystrix.enabled=false
Circuit Breaker: Hystrix Dashboard (断路器:hystrix 仪表盘)
基于 service-ribbon 改造下:
pom.xml 加入:
org.springframework.boot spring-boot-starter-actuator <dependency> <groupId>org.springframework.cloud</groupId> <artifactId>spring-cloud-starter-hystrix-dashboard</artifactId> </dependency>
在主程序入口中加入 @EnableHystrixDashboard 注解,开启 hystrixDashboard:
该仪表盘可以查看错误率
SpringCloud学习3服务消费者feign
本文字数: 328 阅读时长 ≈ 1 分钟
使用feign
spring-cloud-starter-eureka
spring-cloud-starter-feign
spring-boot-starter-web
spring-boot-starter-test
配置文件
eureka:
client:
serviceUrl:
defaultZone: http://localhost:8761/eureka/
server:
port: 8765
spring:
application:
name: service-feign
开启feign
- 在程序的入口类,需要通过注解 @EnableFeignClients 来开启 feign:
调用服务
- 定义一个 feign 接口类, 通过 @ FeignClient(“服务名”),来指定调用哪个服务:
SpringCloud学习2服务消费者
本文字数: 993 阅读时长 ≈ 1 分钟
在上一篇文章,讲了服务的注册和发现。在服务架构中,业务都会被拆分成一个独立的服务,服务与服务的通讯是基于 http restful 的。spring cloud 有两种调用方式,一种是 ribbon+restTemplate,另一种是 feign。在这一篇文章首先讲解下基于 ribbon+rest。
ribbon
是一个负载均衡客户端,可以很好的控制 http 和 tcp 的一些行为。Feign 也用到 ribbon,当你使用 @ FeignClient,ribbon 自动被应用。
ribbon 已经默认实现了这些配置 bean:
IClientConfig ribbonClientConfig: DefaultClientConfigImpl
IRule ribbonRule: ZoneAvoidanceRule
IPing ribbonPing: NoOpPing
ServerList ribbonServerList: ConfigurationBasedServerList
ServerListFilter ribbonServerListFilter: ZonePreferenceServerListFilter
ILoadBalancer ribbonLoadBalancer: ZoneAwareLoadBalancer
准备工作
- 基于上一节的工程,启动 eureka-server 工程;启动 service-hi 工程,它的端口为 8762;将 service-hi 的配置文件的端口改为 8763, 并启动它,这时你会发现:service-hi 在 eureka-server 注册了 2 个,这就相当于一个小的集群。访问 localhost:8761 如图所示:
新建一个service-ribbon
- spring-cloud-starter-eureka
- spring-cloud-starter-ribbon
- spring-boot-starter-web
- spring-boot-starter-test
想eureka注册一个客户端
eureka:
client:
serviceUrl:
defaultZone: http://localhost:8761/eureka/
server:
port: 8764
spring:
application:
name: service-ribbon
启动类
- 在工程的启动类中, 通过 @EnableDiscoveryClient 向服务中心注册;
架构如下
SpringCloud学习1EurekaServer
本文字数: 456 阅读时长 ≈ 1 分钟
创建EurekaServer
Idea初始化项目
- 选择cloud discovery->eureka server 。
创建启动类
- @EnableEurekaServer
配置参数
server:
port: 8761
eureka:
instance:
hostname: localhost
client:
registerWithEureka: false
fetchRegistry: false
serviceUrl:
defaultZone: http://${eureka.instance.hostname}:${server.port}/eureka/
创建EurekaClient
初始化项目
- 通server
创阿金启动类
- @EnableEurekaClient
配置参数
eureka:
client:
serviceUrl:
defaultZone: http://localhost:8761/eureka/
server:
port: 8762
spring:
application:
name: service-hi