【算法总结】双指针——时间复杂度与空间复杂度的利器!

双指针,就是用两个变量在数组中经过某种形式的移动得到结果的操作。一般时间复杂度为O(n),空间复杂度O(1). 双指针用途广泛,熟悉的归并快排,二分查找就是用的双指针。下面就总结一下双指针这个算法技巧。

本文双指针的内容有:

  1. 双指针的各种类型。
  2. 双指针的应用。

第一部分:

我认为双指针一般有两种类型:前后指针,左右指针。
**前后指针:**也可以称为快慢指针。假设有两个指针 l 和 r ,l为慢指针,r为快指针 。一开始l和r在同一位置, r 往后遍历,探寻一下后面的内容,达到某种条件之后 l 指针跟上。这样往复直到遍历完数组。
**左右指针:**l 和 r 在数组的两端,经过某种条件的判定决定 l 向右还是 r 向左,直到 l > r.

第二部分:

1. 前后指针

前后指针最常见的应用就是“尺取法”,又称“滑动窗口”。
尺取法,经常用在求子区间的问题上,是一个很巧妙的方法,时间复杂度通常在O(n).
**运用尺取法的情况:**经常用在求子区间的问题上。比如说,给你一个区间[1,n],让你求最大/小子区间使得该区间满足条件xxx.
常规操作:
假设让你在区间[1,n]中求子区间使得该区间满足条件a.

  1. 设两个指针 l = r = 0,ans记录区间 [l,r] 的信息,index记录最终结果的下标,len记录最终结果的长度。
  2. r 先往后遍历,同时更新ans,直到ans不满足条件a,即区间 [l,r] 不满足条件a.
  3. l 开始往后遍历,同时更新ans,直到ans重新满足条件a.
  4. 如此反复,直到 r >= n结束。

在这个过程中index, len根据题目所要求的子区间来更新。下面举一个实际例子来详细解释吧。

给定一个含有 n 个正整数的数组和一个正整数 s ,找出该数组中满足其和 ≥ s
的长度最小的连续子数组。如果不存在符合条件的连续子数组,返回 0。

示例:

输入: s = 7, nums = [2,3,1,2,4,3]
输出: 2
解释: 子数组 [4,3] 是该条件下的长度最小的连续子数组。

来源:力扣(LeetCode)
链接:https://leetcode-cn.com/problems/minimum-size-subarray-sum

题目要求的是一个最小子区间的长度,条件为区间和>=s. 那么来分析一下如何用尺取法完成这道题。

  1. 初始化:l = r = 0, sum = nums[0], ans = 0.
  2. r 先往后遍历,sum += nums[r]. 可以发现 r = 3 时 sum = 8 > 7,当前区间 [l,r] 不满足条件。
  3. l 往后遍历,sum -= nums[l]. 可以发现 l = 1 时 sum = 6 < 7,当前区间满足条件,更新ans = r-l+1=3. 因为区间满足条件了, r 再继续往后遍历直到区间条件再一次不满足。
  4. 按照这样的规律一直下去,就可以得到ans最小值。

以上就是这道题的大致解法。如果用常规方法,就是枚举所有的区间,时间复杂度O(n^2);而用尺取法,时间复杂度为O(n). 快了许多。当然,可能你会想为什么尺取法不用枚举完所有的区间就可以得到这个正确答案。下面对这个问题解释一下。
首先,我们枚举区间是[2],[2,3],[2,3,1],[2,3,1,2],[2,3,1,2,4],[2,3,1,2,4,3],[3]…
你发现了吗?当区间在[2,3,1]往后,其实就没必要枚举了。因为每个数都是正整数,后面的区间只会比[2,3,1]大。也就是说,只有[2],[2,3],[2,3,1]是枚举的有效区间。而尺取法里的 r 就是起到这样的效果。在第一次发现区间不满足条件时停下来,让 l 跟上。l 一旦走到满足条件的位置之后立马停下来,r继续走。这样就保证了 [l,r] 始终控制在有效区间左右,在O(n)的时间内枚举了所有有效区间。

这道题的代码在此:https://blog.csdn.net/Skyed_blue/article/details/103056163

相信经过这一道题你已经对尺取法这种朴实无华的技巧心生赞叹了。看着以前面对这种题目只会写TLE的自己,是时候开始变强了!下面推几道滑动窗口的题练练!

poj2566
题意:给定一个数组和一个值t,求一个子区间使得其和的绝对值与t的差值最小,如果存在多个,任意解都可行。
基本算是模板题,自己熟悉一下。

leetcode 统计「优美子数组」
有一点点难,除了尺取还需要其他的一些思想。不过还是很容易想到从尺取法开始构思。

leetcode 最小覆盖子串
leetcode的hard题,尺取思想很明显,不过中间有各种各样隐藏的细节需要考虑到并且处理好,比较繁琐的题。

leetcode 替换后的最长重复字符
看题意可以大致判断与尺取思想有关,不过对于区间的条件比较隐晦,没有前几道那么直白,需要自己琢磨一下。

蓝桥杯 日志统计
如果不是对尺取法的应用很熟悉,其实还是不容易想到用尺取法的。因为题目信息太多了,想的构思就有许多。这道题没找到哪个oj平台有,放出来见识一下尺取法在一些竞赛题目中的巧妙运用。

当然了,前后指针还有其他的用法。

leetcode 删除排序数组中的重复项 II
先用 r 指针探寻,再让 l 跟进。其实也有点尺取的意思。

题目先更新到这,之后看到好的题目也会更新博客。

2. 左右指针

左右指针也巧妙,不过不像尺取法那么有章可循。左右指针局限性比较强,在某些特定题目下才有其一席之地。也可能是我对左右指针理解不深。
下面上两道左右指针有“奇效”的特定题目。
leetcode 盛最多水的容器
leetcode 接雨水
这两道题目算是对左右指针比较“偏心”的题目了。反正我是想不来。

下面尽量讲一下左右指针的一些比较常见的应用吧。
排好序的Two Sum问题:
给定一个有序数组,在里面找两个数使其和为x. 比如说有这么一个数组:[2,7,11,15],x = 9.
对于“有序”的问题,比较敏感的可以想到二分吧?这道题确实可以用二分做,i 枚举数组,在 i 后面二分查找 x-a[i] 是否存在即可。时间复杂度O(nlgn).
不过这道题运用双指针,可以把时间复杂度降到O(n). 我们将 l 和 r 放在数组两端,如果 a[l]+a[r] > x,r 向左逼近;a[l] + a[r] < x,l 向右逼近。直到a[l]+a[r] == x. 若 l > r,则不存在两个数其和为x.
其实这种方法也和尺取法原理差不多,就是减少不必要的枚举。
如果该数组元素的位置不是固定的,也可以先排序然后再考虑二分或者双指针。
leetcode 三数之和
左右指针经典例子,和上面那道类似。

左右指针就当作一个技巧。想一道题目的时候看看数组左右两端向中间逼近能否贪心就是左右指针的运用了。

双指针,时间复杂度O(n),空间复杂度O(1),这是两个指针的跳动所带来的奇妙!关于双指针的妙处还有很多,不过大部分都挺难想到,这里就不表了。

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