Python實(shí)現(xiàn)二分查找與bisect模塊詳解

其實(shí)Python的列表（list）內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是一個(gè)數(shù)組，也就是一個(gè)線性表。在列表中查找元素可以使用 list.index() 方法，其時(shí)間復(fù)雜度為O(n) 。對于大數(shù)據(jù)量，則可以用二分查找進(jìn)行優(yōu)化。

二分查找要求對象必須有序，其基本原理如下：
      1.從數(shù)組的中間元素開始，如果中間元素正好是要查找的元素，則搜素過程結(jié)束；
      2.如果某一特定元素大于或者小于中間元素，則在數(shù)組大于或小于中間元素的那一半中查找，而且跟開始一樣從中間元素開始比較。
      3.如果在某一步驟數(shù)組為空，則代表找不到。

二分查找也成為折半查找，算法每一次比較都使搜索范圍縮小一半， 其時(shí)間復(fù)雜度為 O(logn)。

我們分別用遞歸和循環(huán)來實(shí)現(xiàn)二分查找：    

接著對這兩種實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一下性能測試：    
if __name__ == "__main__":
 import random
 lst = [random.randint(0, 10000) for _ in xrange(100000)]
 lst.sort()
 
 def test_recursion():
 binary_search_recursion(lst, 999, 0, len(lst)-1)
 
 def test_loop():
 binary_search_loop(lst, 999)
 
 import timeit
 t1 = timeit.Timer("test_recursion()", setup="from __main__ import test_recursion")
 t2 = timeit.Timer("test_loop()", setup="from __main__ import test_loop")
 
 print "Recursion:", t1.timeit()
 print "Loop:", t2.timeit()

執(zhí)行結(jié)果如下：    
Recursion: 3.12596702576
Loop: 2.08254289627

可以看出循環(huán)方式比遞歸效率高。

bisect 模塊

Python 有一個(gè) bisect 模塊，用于維護(hù)有序列表。bisect 模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)算法用于插入元素到有序列表。在一些情況下，這比反復(fù)排序列表或構(gòu)造一個(gè)大的列表再排序的效率更高。Bisect 是二分法的意思，這里使用二分法來排序，它會將一個(gè)元素插入到一個(gè)有序列表的合適位置，這使得不需要每次調(diào)用 sort 的方式維護(hù)有序列表。

下面是一個(gè)簡單的使用示例：
    
import bisect
import random
 
random.seed(1)
 
print'New Pos Contents'
print'--- --- --------'
 
l = []
for i in range(1, 15):
 r = random.randint(1, 100)
 position = bisect.bisect(l, r)
 bisect.insort(l, r)
 print'%3d %3d' % (r, position), l

輸出結(jié)果：
    
New Pos Contents
--- --- --------
 14 0 [14]
 85 1 [14, 85]
 77 1 [14, 77, 85]
 26 1 [14, 26, 77, 85]
 50 2 [14, 26, 50, 77, 85]
 45 2 [14, 26, 45, 50, 77, 85]
 66 4 [14, 26, 45, 50, 66, 77, 85]
 79 6 [14, 26, 45, 50, 66, 77, 79, 85]
 10 0 [10, 14, 26, 45, 50, 66, 77, 79, 85]
 3 0 [3, 10, 14, 26, 45, 50, 66, 77, 79, 85]
 84 9 [3, 10, 14, 26, 45, 50, 66, 77, 79, 84, 85]
 44 4 [3, 10, 14, 26, 44, 45, 50, 66, 77, 79, 84, 85]
 77 9 [3, 10, 14, 26, 44, 45, 50, 66, 77, 77, 79, 84, 85]
 1 0 [1, 3, 10, 14, 26, 44, 45, 50, 66, 77, 77, 79, 84, 85]

Bisect模塊提供的函數(shù)有：

bisect.bisect_left(a,x, lo=0, hi=len(a)) :

查找在有序列表 a 中插入 x 的index。lo 和 hi 用于指定列表的區(qū)間，默認(rèn)是使用整個(gè)列表。如果 x 已經(jīng)存在，在其左邊插入。返回值為 index。

bisect.bisect_right(a,x, lo=0, hi=len(a))

bisect.bisect(a, x,lo=0, hi=len(a)) ：

這2個(gè)函數(shù)和 bisect_left 類似，但如果 x 已經(jīng)存在，在其右邊插入。

bisect.insort_left(a,x, lo=0, hi=len(a)) ：

在有序列表 a 中插入 x。和 a.insert(bisect.bisect_left(a,x, lo, hi), x) 的效果相同。

bisect.insort_right(a,x, lo=0, hi=len(a))

bisect.insort(a, x,lo=0, hi=len(a)) :

和 insort_left 類似，但如果 x 已經(jīng)存在，在其右邊插入。

Bisect 模塊提供的函數(shù)可以分兩類： bisect* 只用于查找 index， 不進(jìn)行實(shí)際的插入；而 insort* 則用于實(shí)際插入。

該模塊比較典型的應(yīng)用是計(jì)算分?jǐn)?shù)等級：    
def grade(score,breakpoints=[60, 70, 80, 90], grades='FDCBA'):
 i = bisect.bisect(breakpoints, score)
 return grades[i]
 
print [grade(score) for score in [33, 99, 77, 70, 89, 90, 100]]

執(zhí)行結(jié)果：    
['F', 'A', 'C', 'C', 'B', 'A', 'A']

同樣，我們可以用 bisect 模塊實(shí)現(xiàn)二分查找：    
def binary_search_bisect(lst, x):
 from bisect import bisect_left
 i = bisect_left(lst, x)
 if i != len(lst) and lst[i] == x:
 return i
 return None

我們再來測試一下它與遞歸和循環(huán)實(shí)現(xiàn)的二分查找的性能：    
Recursion: 4.00940990448
Loop: 2.6583480835
Bisect: 1.74922895432

可以看到其比循環(huán)實(shí)現(xiàn)略快，比遞歸實(shí)現(xiàn)差不多要快一半。

Python 著名的數(shù)據(jù)處理庫 numpy 也有一個(gè)用于二分查找的函數(shù) numpy.searchsorted， 用法與 bisect 基本相同，只不過如果要右邊插入時(shí)，需要設(shè)置參數(shù) side='right'，例如：    
>>> import numpy as np
>>> from bisect import bisect_left, bisect_right
>>> data = [2, 4, 7, 9]
>>> bisect_left(data, 4)
1
>>> np.searchsorted(data, 4)
1
>>> bisect_right(data, 4)
2
>>> np.searchsorted(data, 4, side='right')
2

那么，我們再來比較一下性能：
In [20]: %timeit -n 100 bisect_left(data, 99999)
100 loops, best of 3: 670 ns per loop
 
In [21]: %timeit -n 100 np.searchsorted(data, 99999)
100 loops, best of 3: 56.9 ms per loop
 
In [22]: %timeit -n 100 bisect_left(data, 8888)
100 loops, best of 3: 961 ns per loop
 
In [23]: %timeit -n 100 np.searchsorted(data, 8888)
100 loops, best of 3: 57.6 ms per loop
 
In [24]: %timeit -n 100 bisect_left(data, 777777)
100 loops, best of 3: 670 ns per loop
 
In [25]: %timeit -n 100 np.searchsorted(data, 777777)
100 loops, best of 3: 58.4 ms per loop

可以發(fā)現(xiàn) numpy.searchsorted 效率是很低的，跟 bisect 根本不在一個(gè)數(shù)量級上。因此 searchsorted 不適合用于搜索普通的數(shù)組，但是它用來搜索 numpy.ndarray 是相當(dāng)快的：    
In [30]: data_ndarray = np.arange(0, 1000000)
 
In [31]: %timeit np.searchsorted(data_ndarray, 99999)
The slowest run took 16.04 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 996 ns per loop
 
In [32]: %timeit np.searchsorted(data_ndarray, 8888)
The slowest run took 18.22 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 994 ns per loop
 
In [33]: %timeit np.searchsorted(data_ndarray, 777777)
The slowest run took 31.32 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000000 loops, best of 3: 990 ns per loop

numpy.searchsorted 可以同時(shí)搜索多個(gè)值：    
>>> np.searchsorted([1,2,3,4,5], 3)
2
>>> np.searchsorted([1,2,3,4,5], 3, side='right')
3
>>> np.searchsorted([1,2,3,4,5], [-10, 10, 2, 3])
array([0, 5, 1, 2])
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家學(xué)習(xí)或者使用python能有一定的幫助