01.数组双指针知识

数组双指针知识 #

1. 双指针简介 #

双指针(Two Pointers):指的是在遍历元素的过程中,不是使用单个指针进行访问,而是使用两个指针进行访问,从而达到相应的目的。如果两个指针方向相反,则称为「对撞指针」。如果两个指针方向相同,则称为「快慢指针」。如果两个指针分别属于不同的数组 / 链表,则称为「分离双指针」。

在数组的区间问题上,暴力算法的时间复杂度往往是 $O(n^2)$。而双指针利用了区间「单调性」的性质,可以将时间复杂度降到 $O(n)$。

2. 对撞指针 #

对撞指针:指的是两个指针 leftright 分别指向序列第一个元素和最后一个元素,然后 left 指针不断递增,right 不断递减,直到两个指针的值相撞(即 left == right),或者满足其他要求的特殊条件为止。

2.1 对撞指针求解步骤 #

  1. 使用两个指针 leftrightleft 指向序列第一个元素,即:left = 0right 指向序列最后一个元素,即:right = len(nums) - 1
  2. 在循环体中将左右指针相向移动,当满足一定条件时,将左指针右移,left += 1。当满足另外一定条件时,将右指针左移,right -= 1
  3. 直到两指针相撞(即 left == right),或者满足其他要求的特殊条件时,跳出循环体。

2.2 对撞指针伪代码模板 #

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
left, right = 0, len(nums) - 1

while left < right:
    if 满足要求的特殊条件:
        return 符合条件的值 
    elif 一定条件 1:
        left += 1
    elif 一定条件 2:
        right -= 1

return 没找到 或 找到对应值

2.3 对撞指针适用范围 #

对撞指针一般用来解决有序数组或者字符串问题:

  • 查找有序数组中满足某些约束条件的一组元素问题:比如二分查找、数字之和等问题。
  • 字符串反转问题:反转字符串、回文数、颠倒二进制等问题。

下面我们根据具体例子来讲解如何使用对撞指针来解决问题。

2.4 两数之和 II - 输入有序数组 #

2.4.1 题目链接 #

2.4.2 题目大意 #

描述:给定一个下标从 1 开始计数、升序排列的整数数组:numbers 和一个目标值 target

要求:从数组中找出满足相加之和等于 target 的两个数,并返回两个数在数组中下的标值。

说明

  • $2 \le numbers.length \le 3 * 10^4$。
  • $-1000 \le numbers[i] \le 1000$。
  • $numbers$ 按非递减顺序排列。
  • $-1000 \le target \le 1000$。
  • 仅存在一个有效答案。

示例

1
2
3
4
5
6
7
8
输入numbers = [2,7,11,15], target = 9
输出[1,2]
解释27 之和等于目标数 9 因此 index1 = 1, index2 = 2 返回 [1, 2] 


输入numbers = [2,3,4], target = 6
输出[1,3]
解释24 之和等于目标数 6 因此 index1 = 1, index2 = 3 返回 [1, 3] 

2.4.3 解题思路 #

这道题如果暴力遍历数组,从中找到相加之和等于 target 的两个数,时间复杂度为 $O(n^2)$,可以尝试一下。

1
2
3
4
5
6
7
8
class Solution:
    def twoSum(self, numbers: List[int], target: int) -> List[int]:
        size = len(numbers)
        for i in range(size):
            for j in range(i + 1, size):
                if numbers[i] + numbers[j] == target:
                    return [i + 1, j + 1]
        return [-1, -1]

结果不出意外的超时了。所以我们要想办法减少时间复杂度。

思路 1:对撞指针 #

可以考虑使用对撞指针来减少时间复杂度。具体做法如下:

  1. 使用两个指针 leftrightleft 指向数组第一个值最小的元素位置,right 指向数组值最大元素位置。
  2. 判断两个位置上的元素的和与目标值的关系。
    1. 如果元素和等于目标值,则返回两个元素位置。
    2. 如果元素和大于目标值,则让 right 左移,继续检测。
    3. 如果元素和小于目标值,则让 left 右移,继续检测。
  3. 直到 leftright 移动到相同位置停止检测。
  4. 如果最终仍没找到,则返回 [-1, -1]
思路 1:代码 #
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
class Solution:
    def twoSum(self, numbers: List[int], target: int) -> List[int]:
        left = 0
        right = len(numbers) - 1
        while left < right:
            total = numbers[left] + numbers[right]
            if total == target:
                return [left + 1, right + 1]
            elif total < target:
                left += 1
            else:
                right -= 1
        return [-1, -1]
思路 1:复杂度分析 #
  • 时间复杂度:$O(n)$。
  • 空间复杂度:$O(1)$。只用到了常数空间存放若干变量。

2.5 验证回文串 #

2.5.1 题目链接 #

2.5.2 题目大意 #

描述:给定一个字符串 s

要求:判断是否为回文串(只考虑字符串中的字母和数字字符,并且忽略字母的大小写)。

说明

  • 回文串:正着读和反着读都一样的字符串。
  • $1 \le s.length \le 2 * 10^5$。
  • s 仅由可打印的 ASCII 字符组成。

示例

1
2
3
4
5
6
7
8
输入: "A man, a plan, a canal: Panama"
输出true
解释"amanaplanacanalpanama" 是回文串


输入"race a car"
输出false
解释"raceacar" 不是回文串

2.5.3 解题思路 #

思路 1:对撞指针 #
  1. 使用两个指针 leftrightleft 指向字符串开始位置,right 指向字符串结束位置。
  2. 判断两个指针对应字符是否是字母或数字。 通过 left 右移、right 左移的方式过滤掉字母和数字以外的字符。
  3. 然后判断 s[start] 是否和 s[end] 相等(注意大小写)。
    1. 如果相等,则将 left 右移、right 左移,继续进行下一次过滤和判断。
    2. 如果不相等,则说明不是回文串,直接返回 False
  4. 如果遇到 left == right,跳出循环,则说明该字符串是回文串,返回 True
思路 1:代码 #
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
class Solution:
    def isPalindrome(self, s: str) -> bool:
        left = 0
        right = len(s) - 1
        
        while left < right:
            if not s[left].isalnum():
                left += 1
                continue
            if not s[right].isalnum():
                right -= 1
                continue
            
            if s[left].lower() == s[right].lower():
                left += 1
                right -= 1
            else:
                return False
        return True
思路 1:复杂度分析 #
  • 时间复杂度:$O(len(s))$。
  • 空间复杂度:$O(len(s))$。

2.6 盛最多水的容器 #

2.6.1 题目链接 #

2.6.2 题目大意 #

描述:给定 $n$ 个非负整数 $a_1,a_2, …,a_n$,每个数代表坐标中的一个点 $(i, a_i)$。在坐标内画 $n$ 条垂直线,垂直线 $i$ 的两个端点分别为 $(i, a_i)$ 和 $(i, 0)$。

要求:找出其中的两条线,使得它们与 $x$ 轴共同构成的容器可以容纳最多的水。

说明

  • $n == height.length$。
  • $2 \le n \le 10^5$。
  • $0 \le height[i] \le 10^4$。

示例

1
2
3
输入[1,8,6,2,5,4,8,3,7]
输出49 
解释图中垂直线代表输入数组 [1,8,6,2,5,4,8,3,7]在此情况下容器能够容纳水表示为蓝色部分的最大值为 49

2.6.3 解题思路 #

思路 1:对撞指针 #

从示例中可以看出,如果确定好左右两端的直线,容纳的水量是由 左右两端直线中较低直线的高度 * 两端直线之间的距离 所决定的。所以我们应该使得 较低直线的高度尽可能的高,这样才能使盛水面积尽可能的大。

可以使用对撞指针求解。移动较低直线所在的指针位置,从而得到不同的高度和面积,最终获取其中最大的面积。具体做法如下:

  1. 使用两个指针 leftrightleft 指向数组开始位置,right 指向数组结束位置。
  2. 计算 leftright 所构成的面积值,同时维护更新最大面积值。
  3. 判断 leftright 的高度值大小。
    1. 如果 left 指向的直线高度比较低,则将 left 指针右移。
    2. 如果 right 指向的直线高度比较低,则将 right 指针左移。
  4. 如果遇到 left == right,跳出循环,最后返回最大的面积。
思路 1:代码 #
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
class Solution:
    def maxArea(self, height: List[int]) -> int:
        left = 0
        right = len(height) - 1
        ans = 0
        while left < right:
            area = min(height[left], height[right]) * (right-left)
            ans = max(ans, area)
            if height[left] < height[right]:
                left += 1
            else:
                right -= 1
        return ans
思路 1:复杂度分析 #
  • 时间复杂度:$O(n)$。
  • 空间复杂度:$O(1)$。

3. 快慢指针 #

快慢指针:指的是两个指针从同一侧开始遍历序列,且移动的步长一个快一个慢。移动快的指针被称为 「快指针(fast)」,移动慢的指针被称为「慢指针(slow)」。两个指针以不同速度、不同策略移动,直到快指针移动到数组尾端,或者两指针相交,或者满足其他特殊条件时为止。

3.1 快慢指针求解步骤 #

  1. 使用两个指针 slowfastslow 一般指向序列第一个元素,即:slow = 0fast 一般指向序列第二个元素,即:fast = 1
  2. 在循环体中将左右指针向右移动。当满足一定条件时,将慢指针右移,即 slow += 1。当满足另外一定条件时(也可能不需要满足条件),将快指针右移,即 fast += 1
  3. 到快指针移动到数组尾端(即 fast == len(nums) - 1),或者两指针相交,或者满足其他特殊条件时跳出循环体。

3.2 快慢指针伪代码模板 #

1
2
3
4
5
6
7
slow = 0
fast = 1
while 没有遍历完
    if 满足要求的特殊条件:
        slow += 1
    fast += 1
return 合适的值

3.3 快慢指针适用范围 #

快慢指针一般用于处理数组中的移动、删除元素问题,或者链表中的判断是否有环、长度问题。关于链表相关的双指针做法我们到链表章节再详细讲解。

下面我们根据具体例子来讲解如何使用快慢指针来解决问题。

3.4 删除有序数组中的重复项 #

3.4.1 题目链接 #

3.4.2 题目大意 #

描述:给定一个有序数组 nums

要求:删除数组 nums 中的重复元素,使每个元素只出现一次。并输出去除重复元素之后数组的长度。

说明

  • 不能使用额外的数组空间,在原地修改数组,并在使用 $O(1)$ 额外空间的条件下完成。

示例

1
2
3
4
5
6
7
8
输入nums = [1,1,2]
输出2, nums = [1,2,_]
解释函数应该返回新的长度 2 并且原数组 nums 的前两个元素被修改为 1, 2 不需要考虑数组中超出新长度后面的元素


输入nums = [0,0,1,1,1,2,2,3,3,4]
输出5, nums = [0,1,2,3,4]
解释函数应该返回新的长度 5  并且原数组 nums 的前五个元素被修改为 0, 1, 2, 3, 4 不需要考虑数组中超出新长度后面的元素

3.4.3 解题思路 #

思路 1:快慢指针 #

因为数组是有序的,那么重复的元素一定会相邻。

删除重复元素,实际上就是将不重复的元素移到数组左侧。考虑使用双指针。具体算法如下:

  1. 定义两个快慢指针 slowfast。其中 slow 指向去除重复元素后的数组的末尾位置。fast 指向当前元素。
  2. slow 在后, fast 在前。令 slow = 0fast = 1
  3. 比较 slow 位置上元素值和 fast 位置上元素值是否相等。
    • 如果不相等,则将 slow 后移一位,将 fast 指向位置的元素复制到 slow 位置上。
  4. fast 右移 1 位。
  5. 重复上述 3 ~ 4 步,直到 fast 等于数组长度。
  6. 返回 slow + 1 即为新数组长度。
思路 1:代码 #
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
class Solution:
    def removeDuplicates(self, nums: List[int]) -> int:
        if len(nums) <= 1:
            return len(nums)
        
        slow, fast = 0, 1

        while (fast < len(nums)):
            if nums[slow] != nums[fast]:
                slow += 1
                nums[slow] = nums[fast]
            fast += 1
            
        return slow + 1
思路 1:复杂度分析 #
  • 时间复杂度:$O(n)$。
  • 空间复杂度:$O(1)$。

4. 分离双指针 #

分离双指针:两个指针分别属于不同的数组 / 链表,两个指针分别在两个数组 / 链表中移动。

4.1 分离双指针求解步骤 #

  1. 使用两个指针 left_1left_2left_1 指向第一个数组 / 链表的第一个元素,即:left_1 = 0left_2 指向第二个数组 / 链表的第一个元素,即:left_2 = 0
  2. 当满足一定条件时,两个指针同时右移,即 left_1 += 1left_2 += 1
  3. 当满足另外一定条件时,将 left_1 指针右移,即 left_1 += 1
  4. 当满足其他一定条件时,将 left_2 指针右移,即 left_2 += 1
  5. 当其中一个数组 / 链表遍历完时或者满足其他特殊条件时跳出循环体。

4.2 分离双指针伪代码模板 #

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
left_1 = 0
left_2 = 0

while left_1 < len(nums1) and left_2 < len(nums2):
    if 一定条件 1:
        left_1 += 1
        left_2 += 2
    elif 一定条件 2:
        left_1 += 1
    elif 一定条件 3:
        left_2 += 1

4.3 分离双指针使用范围 #

分离双指针一般用于处理有序数组合并,求交集、并集问题。

下面我们根据具体例子来讲解如何使用分离双指针来解决问题。

4.4 两个数组的交集 #

4.4.1 题目链接 #

4.4.2 题目大意 #

描述:给定两个数组 nums1nums2

要求:返回两个数组的交集。重复元素只计算一次。

说明

  • $1 \le nums1.length, nums2.length \le 1000$。
  • $0 \le nums1[i], nums2[i] \le 1000$。

示例

1
2
3
4
5
6
7
输入nums1 = [1,2,2,1], nums2 = [2,2]
输出[2]
示例 2

输入nums1 = [4,9,5], nums2 = [9,4,9,8,4]
输出[9,4]
解释[4,9] 也是可通过的

4.4.3 解题思路 #

思路 1:分离双指针 #
  1. 对数组 nums1nums2 先排序。
  2. 使用两个指针 left_1left_2left_1 指向第一个数组的第一个元素,即:left_1 = 0left_2 指向第二个数组的第一个元素,即:left_2 = 0
  3. 如果 nums1[left_1] 等于 nums2[left_2],则将其加入答案数组(注意去重),并将 left_1left_2 右移。
  4. 如果 nums1[left_2] 小于 nums2[left_2],则将 left_1 右移。
  5. 如果 nums1[left_2] 大于 nums2[left_2],则将 left_2 右移。
  6. 最后输出答案数组。
思路 1:代码 #
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
class Solution:
    def intersection(self, nums1: List[int], nums2: List[int]) -> List[int]:
        nums1.sort()
        nums2.sort()

        left_1 = 0
        left_2 = 0
        res = []
        while left_1 < len(nums1) and left_2 < len(nums2):
            if nums1[left_1] == nums2[left_2]:
                if nums1[left_1] not in res:
                    res.append(nums1[left_1])
                left_1 += 1
                left_2 += 1
            elif nums1[left_1] < nums2[left_2]:
                left_1 += 1
            elif nums1[left_1] > nums2[left_2]:
                left_2 += 1
        return res
思路 1:复杂度分析 #
  • 时间复杂度:$O(n)$。
  • 空间复杂度:$O(1)$。

5. 双指针总结 #

双指针分为「对撞指针」、「快慢指针」、「分离双指针」。

  • 对撞指针:两个指针方向相反。适合解决查找有序数组中满足某些约束条件的一组元素问题、字符串反转问题。
  • 快慢指针:两个指针方向相同。适合解决数组中的移动、删除元素问题,或者链表中的判断是否有环、长度问题。
  • 分离双指针:两个指针分别属于不同的数组 / 链表。适合解决有序数组合并,求交集、并集问题。

参考资料 #

本站总访问量  次  |  您是本站第  位访问者