二分查找（lower_bound和upper_bound）

转载自：https://www.cnblogs.com/luoxn28/p/5767571.html

1 二分查找

　　二分查找是一个基础的算法，也是面试中常考的一个知识点。二分查找就是将查找的键和子数组的中间键作比较，如果被查找的键小于中间键，就在左子数组继续查找；如果大于中间键，就在右子数组中查找，否则中间键就是要找的元素。

（图片来自《算法-第4版》）

/**
 * 二分查找，找到该值在数组中的下标，否则为-1
 */
static int binarySerach(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] == key) {
            return mid;
        }
        else if (array[mid] < key) {
            left = mid + 1;
        }
        else {
            right = mid - 1;
        }
    }

    return -1;
}

　　每次移动left和right指针的时候，需要在mid的基础上+1或者-1， 防止出现死循环， 程序也就能够正确的运行。

　　注意：代码中的判断条件必须是while (left <= right)，否则的话判断条件不完整，比如：array[3] = {1, 3, 5};待查找的键为5，此时在(low < high)条件下就会找不到，因为low和high相等时，指向元素5，但是此时条件不成立，没有进入while()中。

2 二分查找的变种

　　关于二分查找，如果条件稍微变换一下，比如：数组之中的数据可能可以重复，要求返回匹配的数据的最小（或最大）的下标；更近一步， 需要找出数组中第一个大于key的元素（也就是最小的大于key的元素的）下标，等等。 这些，虽然只有一点点的变化，实现的时候确实要更加的细心。

　　二分查找的变种和二分查找原理一样，主要就是变换判断条件（也就是边界条件），如果想直接看如何记忆这些变种的窍门，请直接翻到本文最后。下面来看几种二分查找变种的代码：

2.1 查找第一个与key相等的元素

　　查找第一个相等的元素，也就是说等于查找key值的元素有好多个，返回这些元素最左边的元素下标。

// 查找第一个相等的元素
static int findFirstEqual(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] >= key) {
            right = mid - 1;
        }
        else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    if (left < array.length && array[left] == key) {
        return left;
    }

    return -1;
}

2.2 查找最后一个与key相等的元素

　　查找最后一个相等的元素，也就是说等于查找key值的元素有好多个，返回这些元素最右边的元素下标。

// 查找最后一个相等的元素
static int findLastEqual(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] <= key) {
            left = mid + 1;
        }
        else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    if (right >= 0 && array[right] == key) {
        return right;
    }

    return -1;
}

2.3 查找最后一个等于或者小于key的元素

　　查找最后一个等于或者小于key的元素，也就是说等于查找key值的元素有好多个，返回这些元素最右边的元素下标；如果没有等于key值的元素，则返回小于key的最右边元素下标。

// 查找最后一个等于或者小于key的元素
static int findLastEqualSmaller(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] > key) {
            right = mid - 1;
        }
        else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return right;
}

2.4 查找最后一个小于key的元素

　　查找最后一个小于key的元素，也就是说返回小于key的最右边元素下标。

// 查找最后一个小于key的元素
static int findLastSmaller(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] >= key) {
            right = mid - 1;
        }
        else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return right;
}

2.5 查找第一个等于或者大于key的元素

　　查找第一个等于或者大于key的元素，也就是说等于查找key值的元素有好多个，返回这些元素最左边的元素下标；如果没有等于key值的元素，则返回大于key的最左边元素下标。

// 查找第一个等于或者大于key的元素
static int findFirstEqualLarger(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] >= key) {
            right = mid - 1;
        }
        else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return left;
}

2.6 查找第一个大于key的元素

　　查找第一个等于key的元素，也就是说返回大于key的最左边元素下标。

// 查找第一个大于key的元素
static int findFirstLarger(int[] array, int key) {
    int left = 0;
    int right = array.length - 1;

    // 这里必须是 <=
    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;
        if (array[mid] > key) {
            right = mid - 1;
        }
        else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return left;
}

3 二分查找变种总结

// 这里必须是 <=
while (left <= right) {
    int mid = (left + right) / 2;
    if (array[mid] ? key) {
        //... right = mid - 1;
    }
    else {
        // ... left = mid + 1;
    }
}
return xxx;

　　二分查找变种较多，不过它们的“套路”是一样的，以上代码就是其套路，如何快速写出二分查找的代码，只需按照以下步骤即可：

1 首先判断出是返回left，还是返回right

　　因为我们知道最后跳出while (left <= right)循环条件是right < left，且right = left - 1。最后right和left一定是卡在"边界值"的左右两边，如果是比较值为key，查找小于等于（或者是小于）key的元素，则边界值就是等于key的所有元素的最左边那个，其实应该返回left。

　　以数组{1, 2, 3, 3, 4, 5}为例，如果需要查找第一个等于或者小于3的元素下标，我们比较的key值是3，则最后left和right需要满足以下条件：

　　我们比较的key值是3，所以此时我们需要返回left。

2 判断出比较符号

int mid = (left + right) / 2;
if (array[mid] ? key) {
    //... right = xxx;
}
else {
    // ... left = xxx;
}

　　也就是这里的 if (array[mid] ? key) 中的判断符号，结合步骤1和给出的条件，如果是查找小于等于key的元素，则知道应该使用判断符号>=，因为是要返回left，所以如果array[mid]等于或者大于key，就应该使用>=，以下是完整代码

// 查找小于等于key的元素
int mid = (left + right) / 2;
if (array[mid] >= key) {
    right = mid - 1;
}
else {
    left = mid + 1;
}