LeetCode刷题笔记 标准模板库巧解算法题 数组

C++ STL 容器

​ 容器是可容纳各种数据类型（基本数据类型、对象等）的通用数据结构，都是类模板，分为三种类型：

• 顺序容器：vector, deque, list
• 关联容器：set, multiset, map, multimap
• 容器适配器：stack, queue, priority_queue

顺序容器：

​ 顺序容器是非排序的，而且其元素的插入位置与元素自身的值无关，数组便于查找，链表便于操作。

• vector #include <vector> 一维动态数组：其元素在内存中是连续存放的，随机存取任何元素都可以在常数时间内完成，在该容器的尾部增删元素也几乎能够在常熟时间内完成具有较好的性能。
• deque #include <deque> 双向队列：其元素在内存中是连续存放的，随机存取任何元素都可以在常数时间内完成，在该容器的两端增删元素也几乎能够在常熟时间内完成具有较好的性能。
• list #include <list> 双向链表：其元素在内存中是不连续存放的，不支持随机存取，在该容器的任何位置增删元素几乎都能够在常熟时间内完成具有较好的性能。

关联容器：

​ 关联容器的元素是排序的，插入元素需要根据相应的排序规则来确定插入位置的，在查找时具有较好的性能。关联容器通常使用平衡二叉树实现，其插入和检索的时间都是 $O(log(N))$ 。

• set/multiset #include <set> 集合：set 集合中不允许存在相同的元素，multiset 集合中允许存在相同的元素。
• map/multimap #include <map> 键值对集合：map 和 set 的不同在于前者存放的元素有且仅有两个成员变量 (first,second)，一个名为 first，另一个名为 second ，first 的值用来对整体元素进行从小到大的排序，并可以通过 first 快速检索元素。和 multiset 类似 multimap 和 map 的区别中允许存在相同 first 值的元素。

容器适配器：

• stack #include <stack> 栈：栈是项都有限序列，并满足序列中被删除、检索和修改的项都只能是最近插入序列的项，即栈顶的项。满足后进先出规则
• queue #include <queue> 队列：（入队）插入只允许在尾部进行，（出队）删除、检索和修改只允许在头部进行。满足先进先出规则
• priority_queue #include <queue> 优先级队列：优先级最高的元素总是第一个出队列

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一维数组

448 找到所有数组中消失的数字

给定一个长度为 n 的数组，其中包含范围为 1 到 n 的整数，有些整数重复了多次，有些整数没有出现，求 1 到 n 中没有出现过的整数。

输入是一个一维整数数组，输出也是一个一维整数数组，表示输入数组内没出现过的数字。

输入：nums = [4,3,2,7,8,2,3,1]
输出：[5,6]

解析：

​ 利用数组这种数据结构建立长度为 n 的标记数组，每一个标记表示对应位置的元素是否出现过。然后遍历一遍 nums 根据其元素情况修改标记数组对应元素。完成一遍遍历之后，标记数组中就已经记录了 nums 中所有元素出现情况，最后在遍历一遍标记数组就可以得到没出现的元素了。

数组	[1,2,3,4,5,6,7,8]
nums	[4,3,2,7,8,2,3,1]
mask	[T,T,T,T,F,F,T,T]

class Solution {
    
    
public:
    vector<int> findDisappearedNumbers(vector<int>& nums) {
    
    
        int len = nums.size();
        // 记录nums中元素存在情况
        vector<bool> mask(len,true);
        for(const auto num: nums){
    
    
            mask[num-1] = false;
        }
        // 找出不存在的元素
        vector<int> ans;
        for(int i=0;i<len;++i){
    
    
            if(mask[i]){
    
    
                ans.push_back(i+1);
            }
        }
        return ans;
    }
};

​ 进一步地，可以直接对原数组进行标记：把重复出现的数字在原数组出现的位置设为负数，最后仍然为正数的位置即为没有出现过的数。

769 最多能完成排序的块

给定一个含有 0 到 n 整数的数组，每个整数只出现一次，求这个数组最多可以分割成多少个子数组，使得对每个子数组进行增序排序后，原数组也是增序的。

输入一个一维整数数组，输出一个整数，表示最多的分割数。

输入: arr = [1,0,2,3,4]
输出: 4
解释: 可以把它分成两块，例如 [1, 0], [2, 3, 4]。然而，分成 [1, 0], [2], [3], [4] 可以得到最多的块数。

解析：

从左往右遍历，同时记录当前的最大值，每当当前最大值等于数组位置时，我们可以多一次分割。

为什么可以通过这个算法解决问题呢？

如果当前最大值大于数组位置，则说明右边一定有小于数组位置的数字，需要把它也加入待排序的子数组；又因为数组只包含不重复的 0 到 n，所以当前最大值一定不会小于数组位置。所以每当当前最大值等于数组位置时，假设为 p，我们可以成功完成一次分割，并且其与上一次分割位置 q 之间的值一定是 q + 1 到 p 的所有数字。

class Solution {
    
    
public:
    int maxChunksToSorted(vector<int>& arr) {
    
    
        int cur_max = INT_MIN;
        int ans = 0;
        for(int i=0;i<arr.size();++i){
    
    
            cur_max = max(cur_max,arr[i]);
            if(cur_max == i){
    
    
                ++ans;
            }
        }
        return ans;
    }
};

二维数组

48 旋转图像

给定一个 n × n 的矩阵，在尽量不创建额外储存空间的情况下，求它顺时针旋转 90 度的结果，且必须在原矩阵上修改（in-place）。

输入和输出都是一个二维整数矩阵。

输入：matrix = [[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]]
输出：[[7,4,1],[8,5,2],[9,6,3]]

解析：

​ 本题可以每次只考虑矩阵一圈中的 4 个间隔90度的元素的旋转情况，设置两层循环：外层循环用于一圈一圈的遍历矩阵，内循环用于旋转一圈上的元素。

​ 旋转公式主要与遍历的当前圈层相关，例如，矩阵长度len = n + 1，则第 i 圈中与[i][j]参与旋转的其他3个元素分别为[j][n-j], [n-i][n-j], [n-j][i] 他们的旋转公式为：

// 以下图示例中的 2,8,15,9 为例
temp = matrix[j][n-i]; // 8
matrix[j][n-i] = matrix[i][j]; // 2
matrix[i][j] = matrix[n-j][i]; // 9
matrix[n-j][i] = matrix[n-i][n-j]; // 15
matrix[n-i][n-j] = temp;
// 经过上述旋转得到 9,2,8,15

class Solution {
    
    
public:
    void rotate(vector<vector<int>>& matrix) {
    
    
        int n = matrix.size() - 1;
        for(int i=0;i<=n/2;++i){
    
    
            // 子矩阵的第一个元素是[i][n-i],最后一个元素是[n-i][n-i]
            for(int j=i;j<n-i;++j){
    
    
                int tmp = matrix[j][n-i];
                matrix[j][n-i] = matrix[i][j];
                matrix[i][j] = matrix[n-j][i];
                matrix[n-j][i] = matrix[n-i][n-j];
                matrix[n-i][n-j] = tmp;
            }
        }
    }
};

566 重塑矩阵

给定一个由二维数组 mat 表示的 m x n 矩阵，以及两个正整数 r 和 c ，分别表示想要的重构的矩阵的行数和列数。重构后的矩阵需要将原始矩阵的所有元素以相同的行遍历顺序填充。如果参数不合理直接返回原数组。

输入一个二维数组，输出一个根据题目要去重塑后的二维数组

输入：mat = [[1,2],[3,4]], r = 2, c = 4
输出：[[1,2],[3,4]]

解析：

​ 本题可以利用二维矩阵可以映射为一维矩阵的特点解决，例如一个 m x n 的二维矩阵可以映射成一个长度为m*n 的一维数组，其元素映射关系为：array[i] = matrix[i/n][i%n]。根据这种映射关系，又可以将一维矩阵映射为二维矩阵。

​ 所以本题的解法就是将一个 m x n 的二维矩阵映射成一个一维数组，再将这个一维数组映射成一个 r x c 的二维矩阵。

class Solution {
    
    
public:
    vector<vector<int>> matrixReshape(vector<vector<int>>& mat, int r, int c) {
    
    
        int m = mat.size(), n = mat[0].size();
        if(m==0 || n==0){
    
    
            return {
    
    {
    
    }};
        }
        // 不合理的参数直接返回原矩阵
        if( r*c != m*n){
    
    
            return mat;
        }
        // 一维数组到二维的映射
        vector<vector<int>> ans(r,vector<int>(c));
        for(int i=0;i<m*n;++i){
    
    
            ans[i/c][i%c] = mat[i/n][i%n];
        }
        return ans;
    }
};

240 搜索二维矩阵 II

给定一个二维矩阵，已知每行和每列都是增序的，尝试设计一个快速搜索一个数字是否在矩阵中存在的算法。

输入是一个二维整数矩阵，和一个待搜索整数。输出是一个布尔值，表示这个整数是否存在于矩阵中。

输入：matrix = [[1,4,7,11,15],[2,5,8,12,19],[3,6,9,16,22],[10,13,14,17,24],[18,21,23,26,30]], target = 5
输出：true

解析：

本题可以利用矩阵中元素的增序快速缩减搜索空间，每一行是增序的，每一列是增序的。

那么我们从矩阵的右上角开始查找：

• 如果当前值大于目标值那么就直接排除了当前列，向左移动一位
• 如果当前值小于搜索值，由于我们已经搜索了当前行当前值右侧的所有元素，其左侧的值均小于当前值，因此可以直接排除当前行，向下移动一位
• 如果最终移动到左下角时仍没有找到目标值，则说明待搜索值不存在于矩阵中

class Solution {
    
    
public:
    bool searchMatrix_2(vector<vector<int>>& matrix, int target) {
    
    
        if(matrix.empty()||matrix[0].empty()){
    
    
            return false;
        }
        int m = matrix.size(), n = matrix[0].size();
        int i = 0, j = n-1;
        while(i<m && j>=0){
    
    
            if(matrix[i][j] == target){
    
    
                return true;
            }else if(matrix[i][j] > target){
    
    
                // 大于目标值向左移动一步
                --j;
            }else{
    
    
                // 小于目标值向下移动一步
                ++i;
            }
        }
        return false;
    }
};

参考资料

LeetCode 101：和你一起轻松刷题(C++) 第 11 章 妙用数据结构