四种方法花式吊打面试题目——最小k个数

最小K个数

算法题目:

​ 输入一个整数数组arr,找出其中最小的k个数。

思路

​ 比较直观的想法就是将整个数组排序,然后输出前K小的数,所以我们使用目前最高效的排序算法,快排来解决问题。所以所需的时间复杂度O(nlogn)。但是由于取前K个数所以快排不用完全执行。

快排思想

​ 直接通过快排切分好第K小的数(下标k-1)

大根堆(前K小)/小根堆(前K大)

  • 因为java中有现成的PriorityQueue,实现起来简单O(NlogK)

​ 是因为求前k小,所以用一个容量为K的大根堆,每次poll出最大的数,那堆中保留就是前K小

​ 这个方法虽然比较慢(比快排)但是由于有现成的 PriorityQueue(默认小根堆)

二叉搜索树

  • 好处是求得的前K大的数字是有序的
  • 因为存在重复数字,所以使用TreeMap而不是TreeSet
  • Tree的key是数字,value是该数字的个数

我们遍历数组中的数组,维护一个数字总个数为K的TreeMap

  • 若目前map中的数字个数小于K,则将map中当前数字对应的个数+1
  • 否则,判断当前数字与map中最大数字的大小关系
    • 大于等于最大数字则直接跳过
    • 否则将map中对应数字的个数+1,并将map中最大数字对应的个数-1

当有数据范围时直接计数排序

代码实现

快排思想

class Solution {
    public int[] getLeastNumbers(int[] arr, int k) {
        if (k == 0 || arr.length == 0) {
            return new int[0];
        }
        // 最后一个参数表示我们要找的是下标为k-1的数
        return quickSearch(arr, 0, arr.length - 1, k - 1);
    }

    private int[] quickSearch(int[] nums, int lo, int hi, int k) {
        // 每快排切分1次,找到排序后下标为j的元素,如果j恰好等于k就返回j以及j左边所有的数;
        int j = partition(nums, lo, hi);
        if (j == k) {
            return Arrays.copyOf(nums, j + 1);
        }
        // 否则根据下标j与k的大小关系来决定继续切分左段还是右段。
        return j > k? quickSearch(nums, lo, j - 1, k): quickSearch(nums, j + 1, hi, k);
    }

    // 快排切分,返回下标j,使得比nums[j]小的数都在j的左边,比nums[j]大的数都在j的右边。
    private int partition(int[] nums, int lo, int hi) {
        int v = nums[lo];
        int i = lo, j = hi + 1;
        while (true) {
            while (++i <= hi && nums[i] < v);
            while (--j >= lo && nums[j] > v);
            if (i >= j) {
                break;
            }
            int t = nums[j];
            nums[j] = nums[i];
            nums[i] = t;
        }
        nums[lo] = nums[j];
        nums[j] = v;
        return j;
    }
}

大根堆

// 保持堆的大小为K,然后遍历数组中的数字,遍历的时候做如下判断:
// 1. 若目前堆的大小小于K,将当前数字放入堆中。
// 2. 否则判断当前数字与大根堆堆顶元素的大小关系,如果当前数字比大根堆堆顶还大,这个数就直接跳过;
//    反之如果当前数字比大根堆堆顶小,先poll掉堆顶,再将该数字放入堆中。
class Solution {
    public int[] getLeastNumbers(int[] arr, int k) {
        if (k == 0 || arr.length == 0) {
            return new int[0];
        }
        // 默认是小根堆,实现大根堆需要重写一下比较器。
        Queue<Integer> pq = new PriorityQueue<>((v1, v2) -> v2 - v1);
        for (int num: arr) {
            if (pq.size() < k) {
                pq.offer(num);
            } else if (num < pq.peek()) {
                pq.poll();
                pq.offer(num);
            }
        }
        
        // 返回堆中的元素
        int[] res = new int[pq.size()];
        int idx = 0;
        for(int num: pq) {
            res[idx++] = num;
        }
        return res;
    }
}

二叉搜索树

class Solution {
    public int[] getLeastNumbers(int[] arr, int k) {
        if (k == 0 || arr.length == 0) {
            return new int[0];
        }
        // TreeMap的key是数字, value是该数字的个数。
        // cnt表示当前map总共存了多少个数字。
        TreeMap<Integer, Integer> map = new TreeMap<>();
        int cnt = 0;
        for (int num: arr) {
            // 1. 遍历数组,若当前map中的数字个数小于k,则map中当前数字对应个数+1
            if (cnt < k) {
                map.put(num, map.getOrDefault(num, 0) + 1);
                cnt++;
                continue;
            } 
            // 2. 否则,取出map中最大的Key(即最大的数字), 判断当前数字与map中最大数字的大小关系:
            //    若当前数字比map中最大的数字还大,就直接忽略;
            //    若当前数字比map中最大的数字小,则将当前数字加入map中,并将map中的最大数字的个数-1。
            Map.Entry<Integer, Integer> entry = map.lastEntry();
            if (entry.getKey() > num) {
                map.put(num, map.getOrDefault(num, 0) + 1);
                if (entry.getValue() == 1) {
                    map.pollLastEntry();
                } else {
                    map.put(entry.getKey(), entry.getValue() - 1);
                }
            }
            
        }

        // 最后返回map中的元素
        int[] res = new int[k];
        int idx = 0;
        for (Map.Entry<Integer, Integer> entry: map.entrySet()) {
            int freq = entry.getValue();
            while (freq-- > 0) {
                res[idx++] = entry.getKey();
            }
        }
        return res;
    }
}

计数排序(有数据范围)

class Solution {
    public int[] getLeastNumbers(int[] arr, int k) {
        if (k == 0 || arr.length == 0) {
            return new int[0];
        }
        // 统计每个数字出现的次数
        int[] counter = new int[10001];
        for (int num: arr) {
            counter[num]++;
        }
        // 根据counter数组从头找出k个数作为返回结果
        int[] res = new int[k];
        int idx = 0;
        for (int num = 0; num < counter.length; num++) {
            while (counter[num]-- > 0 && idx < k) {
                res[idx++] = num;
            }
            if (idx == k) {
                break;
            }
        }
        return res;
    }
}

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