6 алгоритмов поиска на Java: от простого к сложному

Поиск – распространённое действие, выполняемое в бизнес-приложениях. Под катом лежат реализации известных алгоритмов поиска на Java.

Если хочешь подтянуть свои знания, загляни на наш курс «Алгоритмы и структуры данных», на котором ты:

• углубишься в решение практических задач;
• узнаешь все про сложные алгоритмы, сортировки, сжатие данных и многое другое.

Ты также будешь на связи с преподавателем и другими студентами.

В итоге будешь браться за сложные проекты и повысишь чек за свою работу 🙂

Интересно, хочу попробовать

---

Программирование на Java – всегда интересный экспириенс. Но куда интереснее работать, применяя правильные для конкретных ситуаций алгоритмы.

Реализуем алгоритмы на Java и проанализируем производительность с помощью параметров временной и пространственной сложности.

Линейный поиск

Линейный или последовательный поиск – простейший алгоритм поиска. Он редко используется из-за своей неэффективности. По сути, это метод полного перебора, и он уступает другим алгоритмам.

У линейного поиска нет предварительных условий к состоянию структуры данных.

Объяснение

Алгоритм ищет элемент в заданной структуре данных, пока не достигнет конца структуры.

При нахождении элемента возвращается его позиция в структуре данных. Если элемент не найден, возвращаем -1.

Реализация

Теперь посмотрим, как реализовать линейный поиск в Java:

public static int linearSearch(int arr[], int elementToSearch) {

    for (int index = 0; index < arr.length; index++) {
        if (arr[index] == elementToSearch)
            return index;
    }
    return -1;
}

Для проверки используем целочисленный массив:

int index = linearSearch(new int[]{89, 57, 91, 47, 95, 3, 27, 22, 67, 99}, 67);  
print(67, index);  

Простой метод для вывода результата:

public static void print(int elementToSearch, int index) {  
    if (index == -1){
        System.out.println(elementToSearch + " not found.");
    }
    else {
        System.out.println(elementToSearch + " found at index: " + index);
    }
}

Вывод:

67 found at index: 8

Временная сложность

Для получения позиции искомого элемента перебирается набор из N элементов. В худшем сценарии для этого алгоритма искомый элемент оказывается последним в массиве.

В этом случае потребуется N итераций для нахождения элемента.

Следовательно, временная сложность линейного поиска равна O(N).

Пространственная сложность

Этот поиск требует всего одну единицу памяти для хранения искомого элемента. Это не относится к размеру входного массива.

Следовательно, пространственная сложность линейного поиска равна O(1).

Применение

Линейный поиск можно использовать для малого, несортированного набора данных, который не увеличивается в размерах.

Несмотря на простоту, алгоритм не находит применения в проектах из-за линейного увеличения временной сложности.

Двоичный поиск

Двоичный или логарифмический поиск часто используется из-за быстрого времени поиска.

Объяснение

Этот вид поиска использует подход «Разделяй и властвуй», требует предварительной сортировки набора данных.

Алгоритм делит входную коллекцию на равные половины, и с каждой итерацией сравнивает целевой элемент с элементом в середине. Поиск заканчивается при нахождении элемента. Иначе продолжаем искать элемент, разделяя и выбирая соответствующий раздел массива. Целевой элемент сравнивается со средним.

Вот почему важно иметь отсортированную коллекцию при использовании двоичного поиска.

Поиск заканчивается, когда firstIndex (указатель) достигает lastIndex (последнего элемента). Значит мы проверили весь массив Java и не нашли элемента.

Есть два способа реализации этого алгоритма: итеративный и рекурсивный.

Временная и пространственная сложности одинаковы для обоих способов в реализации на Java.

Реализация

Итеративный подход

Посмотрим:

public static int binarySearch(int arr[], int elementToSearch) {

    int firstIndex = 0;
    int lastIndex = arr.length - 1;

    // условие прекращения (элемент не представлен)
    while(firstIndex <= lastIndex) {
        int middleIndex = (firstIndex + lastIndex) / 2;
        // если средний элемент - целевой элемент, вернуть его индекс
        if (arr[middleIndex] == elementToSearch) {
            return middleIndex;
        }

        // если средний элемент меньше
        // направляем наш индекс в middle+1, убирая первую часть из рассмотрения
        else if (arr[middleIndex] < elementToSearch)
            firstIndex = middleIndex + 1;

        // если средний элемент больше
        // направляем наш индекс в middle-1, убирая вторую часть из рассмотрения
        else if (arr[middleIndex] > elementToSearch)
            lastIndex = middleIndex - 1;

    }
    return -1;
}

Используем алгоритм:

int index = binarySearch(new int[]{89, 57, 91, 47, 95, 3, 27, 22, 67, 99}, 67);  
print(67, index);  

Вывод:

67 found at index: 5

Рекурсивный подход

Теперь посмотрим на рекурсивную реализацию:

public static int recursiveBinarySearch(int arr[], int firstElement, int lastElement, int elementToSearch) {

    // условие прекращения
    if (lastElement >= firstElement) {
        int mid = firstElement + (lastElement - firstElement) / 2;

        // если средний элемент - целевой элемент, вернуть его индекс
        if (arr[mid] == elementToSearch)
            return mid;

        // если средний элемент больше целевого
        // вызываем метод рекурсивно по суженным данным
        if (arr[mid] > elementToSearch)
            return recursiveBinarySearch(arr, firstElement, mid - 1, elementToSearch);

        // также, вызываем метод рекурсивно по суженным данным
        return recursiveBinarySearch(arr, mid + 1, lastElement, elementToSearch);
    }

    return -1;
}

Рекурсивный подход отличается вызовом самого метода при получении нового раздела. В итеративном подходе всякий раз, когда мы определяли новый раздел, мы изменяли первый и последний элементы, повторяя процесс в том же цикле.

Другое отличие – рекурсивные вызовы помещаются в стек и занимают одну единицу пространства за вызов.

Используем алгоритм следующим способом:

int index = binarySearch(new int[]{3, 22, 27, 47, 57, 67, 89, 91, 95, 99}, 0, 10, 67);  
print(67, index);

Вывод:

67 found at index: 5

Временная сложность

Временная сложность алгоритма двоичного поиска равна O(log (N)) из-за деления массива пополам. Она превосходит O(N) линейного алгоритма.

Пространственная сложность

Одна единица пространства требуется для хранения искомого элемента. Следовательно, пространственная сложность равна O(1).

Рекурсивный двоичный поиск хранит вызов метода в стеке. В худшем случае пространственная сложность потребует O(log (N)).

Применение

Этот алгоритм используется в большинстве библиотек и используется с отсортированными структурами данных.

Двоичный поиск реализован в методе Arrays.binarySearch Java API.

Алгоритм Кнута – Морриса – Пратта

Алгоритм КМП осуществляет поиск текста по заданному шаблону. Он разработан Дональдом Кнутом, Воном Праттом и Джеймсом Моррисом: отсюда и название.

Объяснение

В этом поиске сначала компилируется заданный шаблон. Компилируя шаблон, мы пытаемся найти префикс и суффикс строки шаблона. Это поможет в случае несоответствия – не придётся искать следующее совпадение с начального индекса.

Вместо этого мы пропускаем часть текстовой строки, которую уже сравнили, и начинаем сравнивать следующую. Необходимая часть определяется по префиксу и суффиксу, поэтому известно, какая часть уже прошла проверку и может быть безопасно пропущена.

КМП работает быстрее алгоритма перебора благодаря пропускам.

Реализация

Итак, пишем метод compilePatternArray(), который позже будет использоваться алгоритмом поиска КМП:

public static int[] compilePatternArray(String pattern) {  
    int patternLength = pattern.length();
    int len = 0;
    int i = 1;
    int[] compliedPatternArray = new int[patternLength];
    compliedPatternArray[0] = 0;

    while (i < patternLength) {
        if (pattern.charAt(i) == pattern.charAt(len)) {
            len++;
            compliedPatternArray[i] = len;
            i++;
        } else {
            if (len != 0) {
                len = compliedPatternArray[len - 1];
            } else {
                compliedPatternArray[i] = len;
                i++;
            }
        }
    }
    System.out.println("Compiled Pattern Array " + Arrays.toString(compliedPatternArray));
    return compliedPatternArray;
}

Скомпилированный массив Java можно рассматривать как массив, хранящий шаблон символов. Цель – найти префикс и суффикс в шаблоне. Зная эти элементы, можно избежать сравнения с начала текста после несоответствия и приступать к сравнению следующего символа.

Скомпилированный массив сохраняет позицию предыдущего местонахождения текущего символа в массив шаблонов.

Давайте реализуем сам алгоритм:

public static List<Integer> performKMPSearch(String text, String pattern) {  
    int[] compliedPatternArray = compilePatternArray(pattern);

    int textIndex = 0;
    int patternIndex = 0;

    List<Integer> foundIndexes = new ArrayList<>();

    while (textIndex < text.length()) {
        if (pattern.charAt(patternIndex) == text.charAt(textIndex)) {
            patternIndex++;
            textIndex++;
        }
        if (patternIndex == pattern.length()) {
            foundIndexes.add(textIndex - patternIndex);
            patternIndex = compliedPatternArray[patternIndex - 1];
        }

        else if (textIndex < text.length() && pattern.charAt(patternIndex) != text.charAt(textIndex)) {
            if (patternIndex != 0)
                patternIndex = compliedPatternArray[patternIndex - 1];
            else
                textIndex = textIndex + 1;
        }
    }
    return foundIndexes;
}

Здесь мы последовательно сравниваем символы в шаблоне и текстовом массиве. Мы продолжаем двигаться вперёд, пока не получим совпадение. Достижение конца массива при сопоставлении означает нахождение шаблона в тексте.

Но! Есть один момент.

Если обнаружено несоответствие при сравнении двух массивов, индекс символьного массива перемещается в значение compiledPatternArray(). Затем мы переходим к следующему символу в текстовом массиве. КМП превосходит метод грубой силы однократным сравнением текстовых символов при несоответствии.

Запустите алгоритм:

String pattern = "AAABAAA";  
String text = "ASBNSAAAAAABAAAAABAAAAAGAHUHDJKDDKSHAAJF";

List<Integer> foundIndexes = KnuthMorrisPrathPatternSearch.performKMPSearch(text, pattern);

if (foundIndexes.isEmpty()) {  
    System.out.println("Pattern not found in the given text String");
} else {
    System.out.println("Pattern found in the given text String at positions: " + .stream().map(Object::toString).collect(Collectors.joining(", ")));
}

В текстовом шаблоне AAABAAA наблюдается и кодируется в массив шаблонов следующий шаблон:

• Шаблон A (Одиночная A) повторяется в 1 и 4 индексах.
• Паттерн AA (Двойная A) повторяется во 2 и 5 индексах.
• Шаблон AAA (Тройная A) повторяется в индексе 6.

В подтверждение наших расчётов:

Compiled Pattern Array [0, 1, 2, 0, 1, 2, 3]  
Pattern found in the given text String at positions: 8, 14

Описанный выше шаблон ясно показан в скомпилированном массиве.

С помощью этого массива КМП ищет заданный шаблон в тексте, не возвращаясь в начало текстового массива.

Временная сложность

Для поиска шаблона алгоритму нужно сравнить все элементы в заданном тексте. Необходимое для этого время составляет O(N). Для составления строки шаблона нам нужно проверить каждый символ в шаблоне – это еще одна итерация O(M).

O (M + N) – общее время алгоритма.

Пространственная сложность

O(M) пространства необходимо для хранения скомпилированного шаблона для заданного шаблона размера M.

Применение

Этот алгоритм используется в текстовых инструментах для поиска шаблонов в текстовых файлах.

Поиск прыжками

От двоичного поиска этот алгоритм отличает движение исключительно вперёд. Имейте в виду, что такой поиск требует отсортированной коллекции.

Мы прыгаем вперёд на интервал sqrt(arraylength), пока не достигнем элемента большего, чем текущий элемент или конца массива. При каждом прыжке записывается предыдущий шаг.

Прыжки прекращаются, когда найден элемент больше искомого. Затем запускаем линейный поиск между предыдущим и текущим шагами.

Это уменьшает поле поиска и делает линейный поиск жизнеспособным вариантом.

Реализация

public static int jumpSearch(int[] integers, int elementToSearch) {

    int arrayLength = integers.length;
    int jumpStep = (int) Math.sqrt(integers.length);
    int previousStep = 0;

    while (integers[Math.min(jumpStep, arrayLength) - 1] < elementToSearch) {
        previousStep = jumpStep;
        jumpStep += (int)(Math.sqrt(arrayLength));
        if (previousStep >= arrayLength)
            return -1;
    }
    while (integers[previousStep] < elementToSearch) {
        previousStep++;
        if (previousStep == Math.min(jumpStep, arrayLength))
            return -1;
    }

    if (integers[previousStep] == elementToSearch)
        return previousStep;
    return -1;
}

Мы начинаем с jumpstep размером с корень квадратный от длины массива и продолжаем прыгать вперёд с тем же размером, пока не найдём элемент, который будет таким же или больше искомого элемента.

Сначала проверяется элемент integers[jumpStep], затем integers[2jumpStep], integers[3jumpStep] и так далее. Проверенный элемент сохраняется в переменной previousStep.

Когда найдено значение, при котором integers[previousStep] < elementToSearch < integers[jumpStep], производится линейный поиск между integers[previousStep] и integers[jumpStep] или элементом большим, чем elementToSearch.

Вот так используется алгоритм:

int index = jumpSearch(new int[]{3, 22, 27, 47, 57, 67, 89, 91, 95, 99}, 67);  
print(67, index);

Вывод:

67 found at Index 5  

Временная сложность

Поскольку в каждой итерации мы перепрыгиваем на шаг, равный sqrt(arraylength), временная сложность этого поиска составляет O(sqrt (N)).

Пространственная сложность

Искомый элемент занимает одну единицу пространства, поэтому пространственная сложность алгоритма составляет O(1).

Применение

Этот поиск используется поверх бинарного поиска, когда прыжки в обратную сторону затратны.

С ограничением сталкиваются при работе с вращающейся средой. Когда при легком поиске по направлению вперёд многократные прыжки в разных направлениях становятся затратными.

Интерполяционный поиск

Интерполяционный поиск используется для поиска элементов в отсортированном массиве. Он полезен для равномерно распределенных в структуре данных.

При равномерно распределенных данных местонахождение элемента определяется точнее. Тут и вскрывается отличие алгоритма от бинарного поиска, где мы пытаемся найти элемент в середине массива.

Для поиска элементов в массиве алгоритм использует формулы интерполяции. Эффективнее применять эти формула для больших массивов. В противном случае алгоритм работает как линейный поиск.

Реализация

public static int interpolationSearch(int[] integers, int elementToSearch) {

    int startIndex = 0;
    int lastIndex = (integers.length - 1);

    while ((startIndex <= lastIndex) && (elementToSearch >= integers[startIndex]) &&
           (elementToSearch <= integers[lastIndex])) {
        // используем формулу интерполяции для поиска возможной лучшей позиции для существующего элемента
        int pos = startIndex + (((lastIndex-startIndex) /
          (integers[lastIndex]-integers[startIndex]))*
                        (elementToSearch - integers[startIndex]));

        if (integers[pos] == elementToSearch)
            return pos;

        if (integers[pos] < elementToSearch)
            startIndex = pos + 1;

        else
            lastIndex = pos - 1;
    }
    return -1;
}

Используем алгоритм так:

int index = interpolationSearch(new int[]{1,2,3,4,5,6,7,8}, 6);  
print(67, index);

Вывод:

6 found at Index 5

Смотрите, как работают формулы интерполяции, чтобы найти 6:

startIndex = 0  
lastIndex = 7  
integers[lastIndex] = 8  
integers[startIndex] = 1  
elementToSearch = 6

Теперь давайте применим эти значения к формулам для оценки индекса элемента поиска:

index=0+(7−0)/(8−1)∗(6−1)=5

Элемент integers[5] равен 6 — это элемент, который мы искали. Индекс для элемента рассчитывается за один шаг из-за равномерной распределенности данных.

Временная сложность

В лучшем случае временная сложность такого алгоритма – O(log log N). При неравномерном распределении элементов сложность сопоставима с временной сложностью линейного алгоритма, которая = O(N).

Пространственная сложность

Алгоритм требует одну единицу пространства для хранения элемента для поиска. Его пространственная сложность = O(1).

Применение

Алгоритм полезно применять для равномерно распределенных данных вроде телефонной книги.

Экспоненциальный поиск

Экспоненциальный поиск используется для поиска элементов путём перехода в экспоненциальные позиции, то есть во вторую степень.

В этом поиске мы пытаемся найти сравнительно меньший диапазон и применяем на нем двоичный алгоритм для поиска элемента.

Для работы алгоритма коллекция должна быть отсортирована.

Реализация

public static int exponentialSearch(int[] integers, int elementToSearch) {

    if (integers[0] == elementToSearch)
        return 0;
    if (integers[integers.length - 1] == elementToSearch)
        return integers.length;

    int range = 1;

    while (range < integers.length && integers[range] <= elementToSearch) {
        range = range * 2;
    }

    return Arrays.binarySearch(integers, range / 2, Math.min(range, integers.length), elementToSearch);
}

Применяем алгоритм Java:

int index = exponentialSearch(new int[]{3, 22, 27, 47, 57, 67, 89, 91, 95, 99}, 67);  
print(67, index);

Мы пытаемся найти элемент больше искомого. Зачем? Для минимизации диапазона поиска. Увеличиваем диапазон, умножая его на 2, и снова проверяем, достигли ли мы элемента больше искомого или конца массива. При нахождении элемента мы выходим из цикла. Затем выполняем бинарный поиск с startIndex в качестве range/2 и lastIndex в качестве range.

В нашем случае значение диапазона достигается в элементе 8, а элемент в integers[8] равен 95. Таким образом, диапазон, в котором выполняется бинарный поиск:

startIndex = range/2 = 4
lastIndex = range = 8

При этом вызываем бинарный поиск:

Arrays.binarySearch(integers, 4, 8, 6);

Вывод:

67 found at Index 5

Здесь важно отметить, что можно ускорить умножение на 2, используя оператор левого сдвига range << 1 вместо *.

Временная сложность

В худшем случае временная сложность этого поиска составит O(log (N)).

Пространственная сложность

Итеративный алгоритм двоичного поиска требует O(1) места для хранения искомого элемента.

Для рекурсивного двоичного поиска пространственная сложность становится равной O(log (N)).

Применение

Экспоненциальный поиск используется с большими массивами, когда бинарный поиск затратен. Экспоненциальный поиск разделяет данные на более доступные для поиска разделы.

Заключение

Каждая система содержит набор ограничений и требований. Правильно подобранный алгоритм поиска, учитывающий эти ограничениях, играет определяющую роль в производительности системы.

В этой статье мы рассмотрели работу алгоритмов поиска Java и случаи их применения.

Описанные алгоритмы доступны на Github.

Источник

Интересует язык программирования Java, примеры алгоритмов? Другие материалы по теме:

• 25 самых используемых регулярных выражений в Java
• Создаём приложение с чистой архитектурой на Java 11
• ТОП-10 лучших книг по Java для программистов

Пробуйте сами и делитесь своими впечатлениями!