為什么 std::binary_search 返回 bool？

Question

根據草案N4431 ，算法庫中的函數std::binary_search返回一個bool ，[binary.search]：

 template<class ForwardIterator, class T> bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value); template<class ForwardIterator, class T, class Compare> bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value, Compare comp);

要求： [first,last)的元素e根據表達式e < value和!(value < e)或comp(e, value)和!comp(value, e)進行分區。 此外，對於[first,last)所有元素e ， e < value意味着!(value < e)或comp(e, value) implies !comp(value, e) 。

返回： 如果范圍[first,last)存在滿足相應條件的迭代器i ，則為true ： !(*i < value) && !(value < *i)或comp(*i, value) == false && comp(value, *i) == false 。

復雜性：最多記錄_{2 個}（最后一個 - 第一個）+ O(1) 次比較。

有誰知道為什么會這樣？

大多數其他通用算法要么返回元素的迭代器，要么返回一個迭代器，它等效於表示元素序列末尾的迭代器（即，在序列中要考慮的最后一個元素之后），這就是我想要的預期的。

Answer 1

這個函數的名稱在1994年版的STL中是isMember 。 我認為你同意具有該名稱的函數應該返回bool

http://www.stepanovpapers.com/Stepanov-The_Standard_Template_Library-1994.pdf

Answer 2

它在C ++中被分成多個不同的函數，因為推理它幾乎不可能分辨出為什么有人以這種或那種方式做某事。 binary_search將告訴您這樣的元素是否存在。 如果您需要知道它們的位置，請使用lower_bound和upper_bound ，它們將分別給出開始/結束迭代器。 還有equal_range ，它同時為您提供開始和結束。

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因為其他人似乎認為這很明顯是為什么它是以這種方式創造出來的，所以如果你不是亞歷山大·斯捷潘諾夫或與他合作的人，我會說我的觀點為什么很難/不可能回答。

可悲的是， SGI STL FAQ根本沒有提到binary_search 。 它解釋了list<>::size為線性時間或pop返回void推理。 看起來他們認為binary_search不夠特別，無法記錄它。

讓我們來看看@ user2899162提到的可能的性能改進：

您可以在此處找到SGI STL算法binary_search的原始實現。 看一下它可以簡化它（我們都知道標准庫中的內部名稱有多糟糕）：

template <class ForwardIter, class V>
bool binary_search(ForwardIter first, ForwardIter last, const V& value) {
    ForwardIter it = lower_bound(first, last, value);
    return it != last && !(value < *it);
}

正如您所看到的那樣，它是以lower_bound形式實現的，並且具有相同的精確性能。 如果他們真的希望它利用可能的性能改進，他們就不會用較慢的方式來實現它，所以看起來他們這樣做的原因並不是這樣。

現在讓我們看看它只是一個便利功能

它只是一個便利功能似乎更有可能，但通過STL你會發現許多其他算法，這是可能的。 看看上面的實現，你會發現除了std::find(begin, end, value) != end;之外，還有更多的事情要做std::find(begin, end, value) != end; 但是我們必須一直寫這個並且沒有返回bool的便利功能。 為什么在這里，而不是所有其他算法呢？ 這不是很明顯，也不能簡單地解釋。

總而言之，我發現它遠非顯而易見，並且不知道我是否能夠自信而誠實地回答它。

Answer 3

二進制搜索算法依賴於嚴格的弱排序。 意味着元素應該根據operator <或根據具有相同保證的自定義比較器進行分區。 這意味着對於給定查詢，不一定只能找到一個元素。 因此，您需要lower_bound ， upper_bound和equal_range函數來檢索迭代器。

Answer 4

標准庫包含返回迭代器的二進制搜索算法的變體。 它們被稱為std :: lower_bound和std :: upper_bound 。 我認為std::binary_search返回bool背后的基本原理是，在等效元素的情況下返回什么迭代器並不清楚，而在std::lower_bound和std::upper_bound情況下，它很清楚。

也可能存在性能因素，因為理論上可以實現std::binary_search以在多個等效元素和某些類型的情況下更好地執行。 但是，標准庫（ libstdc++ ）的至少一個流行實現使用std::lower_bound實現std::binary_search ，而且，它們具有相同的理論復雜性。

Answer 5

這是一個返回迭代器的 C++20 二進制搜索替代方案：

template<typename RandomIt, typename T, typename Pred>
inline
RandomIt xbinary_search( RandomIt begin, RandomIt end, T const &key, Pred pred )
    requires std::random_access_iterator<RandomIt>
    &&
    requires( Pred pred, typename std::iterator_traits<RandomIt>::value_type &elem, T const &key )
    {
        { pred( elem, key ) } -> std::convertible_to<std::strong_ordering>;
    }
{
    using namespace std;
    size_t lower = 0, upper = end - begin, mid;
    strong_ordering so;
    while( lower != upper )
    {
        mid = (lower + upper) / 2;
        so = pred( begin[mid], key );
        if( so == 0 )
        {
            assert(mid == 0 || pred( begin[mid - 1], key ) < 0);
            assert(begin + mid + 1 == end || pred( begin[mid + 1], key ) > 0);
            return begin + mid;
        }
        if( so > 0 )
            upper = mid;
        else
            lower = mid + 1;
    }
    return end;
}

僅當開始和結束之間只有一個與鍵匹配的值時，此代碼才能正常工作。 但是，如果您進行調試並且未定義 NDEBUG，則代碼將在您的調試器中停止。

Answer 6

如果你想在一個值上得到一個迭代器，你可以使用std :: equal_range ，它將返回2個迭代器，一個在下界，一個在值范圍的上限，等於你正在尋找的那個對於。

因為唯一的要求是值被排序而不是唯一的，所以沒有簡單的“find”會在你正在尋找的一個元素上返回一個迭代器。 如果只有一個元素等於你要查找的值，那么兩個迭代器之間只有1的差異。