【好书推荐】《剑指Offer》之硬技能（编程题1~6）

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前一篇《【好书推荐】《剑指Offer》之软技能》中提到了面试中的一些软技能，简历的如何写等。《剑指Offer》在后面的章节中主要是一些编程题并配以讲解。就算不面试，这些题多做也无妨。可惜的是书中是C++实现，我又重新用Java实现了一遍，如果有错误或者更好的解法，欢迎提出交流。

1.赋值运算符函数

　　Java不支持赋值运算符重载，略。

2.实现Singleton模式

　　饿汉模式

 1 /**
 2 * 饿汉模式
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Singleton {
 7 
 8    private static Singleton singleton = new Singleton();
 9 
10    private Singleton() {
11 
12    }
13    public static Singleton getInstance() {
14        return singleton;
15    }
16 }

　　优点：线程安全、不易出错、性能较高。

　　缺点：在类初始化的时候就实例化了一个单例，占用了内存。

　　饱汉模式一

 1 /**
 2 * 饱汉模式一
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Singleton {
 7 
 8    private static Singleton singleton ;
 9 
10    private Singleton() {
11 
12    }
13    public static synchronized Singleton getInstance() {
14        if (singleton == null) {
15            singleton = new Singleton();
16        }
17        return singleton;
18    }
19 }

　　饱汉模式二

 1 /**
 2 * 饱汉模式二
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Singleton {
 7 
 8    private static Singleton singleton ;
 9 
10    private Singleton() {
11 
12    }
13    public static Singleton getInstance() {
14        if (singleton == null) {
15            synchronized (Singleton.class) {
16               if (singleton == null) {
17                  singleton = new Singleton();
18               }
19            }
20        }
21        return singleton;
22    }
23 }

　　优点：线程安全，节省内存，在需要时才实例化对象，比在方法上加锁性能要好。

　　缺点：由于加锁，性能仍然比不上饿汉模式。

　　枚举模式

 1 /**
 2 * 枚举模式
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public enum Singleton {
 7    INSTANCE;
 8 
 9    Singleton() {
10 
11    }
12 }

　　在《Effective Java》书中，作者强烈建议通过枚举来实现单例。另外枚举从底层保证了线程安全，这点感兴趣的读者可以深入了解下。尽管枚举方式实现单例看起来比较“另类”，但从多个方面来看，这是最好且最安全的方式。

3.数组中重复的数字

题目：给定一个数组，找出数组中重复的数字。

　　解法一：时间复杂度O(n),空间复杂度O(n)

 1 /**
 2 * 找出数组中重复的数字
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Solution {
 7 
 8    public void findRepeat(Integer[] array) {
 9        Set noRepeat = new HashSet<>();
10        for (Integer number : array) {
11            if (!noRepeat.contains(number)) {
12                noRepeat.add(number);
13            } else {
14                System.out.println("重复数字：" + number);
15            }
16        }
17    }
18 }

　　*Set底层实现也是一个Map

　　通过Map散列结构，可以找到数组中重复的数字，此算法时间复杂度为O(n)，空间复杂度为O(n)（需要额外定义一个Map）。

　　解法二：时间复杂度O(n^2),空间复杂度O(1)

 1 /**
 2 * 找出数组中重复的数字
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Solution {
 7 
 8    public void findRepeat(Integer[] array) {
 9        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
10            Integer num = array[i];
11            for (int j = i + 1; j < array.length; j++) {
12                if (num.equals(array[j])) {
13                    System.out.println("重复数字：" + array[j]);
14                }
15            }
16        }
17    }
18 }

　　解法二通过遍历的方式找到重复的数组元素，解法一相比于解法二是典型的“以空间换取时间”的算法

变形：给定一个长度为n的数组，数组中的数字值大小范围在0~n-1，找出数组中重复的数字。

　　变形后的题目也可采用上面两种方法，数字值大小范围在0~n-1的特点，不借助额外空间（空间复杂度O(1)），遍历一次（时间复杂度为O(n)）的算法

 1 /**
 2 * 找出数组中重复的数字，数组中的数字值大小范围在0~n-1
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Solution {
 7    public void findRepeat(Integer[] array) {
 8        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
 9            while (array[i] != i) {
10                if (array[i].equals(array[array[i]])) {
11                    System.out.println("重复数字：" + array[i]);
12                    break;
13                }
14                Integer temp = array[i];
15                array[i] = array[temp];
16                array[temp] = temp;
17            }
18        }
19    }
20 }

　　分析：变形后的题目中条件出现了，数组中的值范围在数组长度n-1以内，且最小为0。也就是说，数组中的任意值在作为数组的下标都不会越界，这是一个潜在的条件。根据这个潜在的条件，我们可以把每个值放到对应的数组下标，使得数组下标=数组值。例如：4,2,1,4,3,3。遍历第一个值4，此时下标为0，数组下标≠数组值，比较array[0]与array[4]不相等->交换，4放到了正确的位置上，得到3,2,1,4,4,3。此时第一个值为3，数组下标仍然≠数组值，比较array[0]与array[3]不想等->交换，3放到了正确的位置，得到4,2,1,3,4,3。此时数组下标仍然≠数组值，比较array[0]与array[4]相等，退出当前循环。依次类推，开始数组下标int=1的循环。

4.二维数组中的查找

题目：给定一个二维数组，每一行都按照从左到右依次递增的顺序排序，每一列都按照从上到下依次递增的顺序排序。输入一个二维数组和一个整数，判断该整数是否在二维数组中。

　　解法一：遍历n*m大小的二维数组，时间复杂度O(n*m)，空间复杂度O(1)

 1 /**
 2 * 二维数组中查找
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Solution {
 7 
 8    public boolean isExist(Integer[][] twoArray, Integer target) {
 9        for (int i = 0; i < twoArray.length; i++) {
10            for (int j = 0; j < twoArray[i].length; j++) {
11                if (twoArray[i][j].equals(target)) {
12                    return true;
13                }
14            }
15        }
16        return false;
17    }
18 }

　　优点：简单暴力。

　　缺点：性能不是最优的，时间复杂度较高，没有充分利用题目中“有序”的条件。

　　解法二：时间复杂度O(n+m)，空间复杂度O(1)

 1 /**
 2 * 二维数组中查找
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/27
 5 **/
 6 public class Solution {
 7 
 8    public boolean isExist(Integer[][] twoArray, Integer target) {
 9        int x = 0;
10        int y = twoArray[0].length - 1;
11        for (int i = 0; i < twoArray.length-1 + twoArray[0].length-1; i++) {
12            if (twoArray[x][y].equals(target)) {
13                return true;
14            }
15            if (twoArray[x][y] > target) {
16                y--;
17                continue;
18            }
19            if (twoArray[x][y] < target) {
20                x++;
21            }
22        }
23        return false;
24    }
25 }

　　分析：通过举一个实例，找出规律，从右上角开始查找。

　　Integer[][] twoArray = new Integer[4][4];

　　twoArray[0] = new Integer[]{1, 2, 8, 9};

　　twoArray[1] = new Integer[]{2, 4, 9, 12};

　　twoArray[2] = new Integer[]{4, 7, 10, 13};

　　twoArray[3] = new Integer[]{6, 8, 11, 15};

5.替换空格

题目：将字符串中的空格替换为“20%”。

　　解法一：根据Java提供的replaceAll方法直接替换

 1 /**
 2 * 字符串空格替换
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/28
 5 **/
 6 public class Solution {
 7    public String replaceSpace(String str) {
 8        return str.replaceAll(" ", "20%");
 9    }
10 }

　　这种解法没什么可说。但可以了解一下replaceAll的JDK实现。replaceAll在JDK中的实现是根据正则表达式匹配要替换的字符串。

　　解法二：利用空间换时间的方式替换

 1 /**
 2 * 字符串空格替换
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/28
 5 **/
 6 public class Solution {
 7    public String replaceSpace(String str, String target) {
 8        StringBuilder sb = new StringBuilder();
 9        for (char c : str.toCharArray()) {
10            if (c == ' ') {
11                sb.append(target);
12                continue;
13            }
14            sb.append(c);
15        }
16        return sb.toString();
17    }
18 }

6.从尾到头打印链表

题目：输入一个链表的头节点，从尾到头反过来打印出每个节点的值。

*由于《剑指Offer》采用C++编程语言，这题需要我们先构造出一个节点，模拟出链表的结构。

　　定义节点

 1 /**
 2 * 链表节点定义
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/29
 5 **/
 6 public class Node {
 7    /**
 8     * 指向下一个节点
 9     */
10    private Node next;
11    /**
12     * 表示节点的值域
13     */
14    private Integer data;
15 
16    public Node(){}
17 
18    public Node(Integer data) {
19        this.data = data;
20    }
21    //省略getter/setter方法
22 }

　　解法一：利用栈先进后出的特点，遍历链表放入栈中，再从栈推出数据

 1 /**
 2 * 逆向打印链表的值
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/29
 5 **/
 6 public class Solution {
 7    public void tailPrint(Node head) {
 8        Stack stack = new Stack<>();
 9        while (head != null) {
10            stack.push(head);
11            head = head.getNext();
12        }
13        while (!stack.empty()) {
14            System.out.println(stack.pop().getData());
15        }
16    }
17 }

　　这种解法“不幸”地借助了额外的空间。

　　解法二：既然使用栈的结构，实际上也就可以使用递归的方式逆向打印链表

 1 /**
 2 * 逆向打印链表的值
 3 * @author OKevin
 4 * @date 2019/5/29
 5 **/
 6 public class Solution {
 7    public void tailPrint(Node head) {
 8        if (head.getNext() != null) {
 9            tailPrint(head.getNext());
10        }
11        System.out.println(head.getData());
12    }
13 }

　　使用递归虽然避免了借助额外的内存空间，但如果链表过长，递归过深易导致调用栈溢出。

　　测试程序：

 1 /**
 2 * @author OKevin
 3 * @date 2019/5/29
 4 **/
 5 public class Main {
 6    /**
 7     * 1->2->3->4->5
 8     * @param args
 9     */
10    public static void main(String[] args) {
11        Node node1 = new Node(1);
12        Node node2 = new Node(2);
13        Node node3 = new Node(3);
14        Node node4 = new Node(4);
15        Node node5 = new Node(5);
16        node1.setNext(node2);
17        node2.setNext(node3);
18        node3.setNext(node4);
19        node4.setNext(node5);
20 
21        Node head = node1;
22 
23        Solution solution = new Solution();
24        solution.tailPrint(head);
25    }
26 }

　　 本文例子完整源码地址：https://github.com/yu-linfeng/BlogRepositories/tree/master/repositories/sword

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