算法练习 - 字符串的全排列(字典序排列)
题目描述
输入一个字符串，打印出该字符串中字符的所有排列。例如输入字符串abc，则输出由字符a、b、c 所能排列出来的所有字符串abc, acb, bac, bca, cab, cba。
题目分析
穷举与递归
又是一个经典问题，最容易想到的解决方法仍然是穷举（我实在是太爱穷举法了，每当被问到算法问题不知道如何解决的时候，总可以祭出穷举大旗，从而多争取3分钟的思考时间
）。穷举虽好，但它大多数情况下都不是被需要的那个答案，是因为看起来代码太Low不够高大上吗？
在这种情况下，穷举法裹着貂皮大衣的亲戚——递归就出现了。虽然空间复杂度和时间复杂度没有任何改进，而且还增加了系统开销（关于递归法的系统开销不在这里讨论，之后再找专门的时间阐述），但是就是因为长得好看（代码看起来精炼），递归的B格儿就高了很多。
递归法对于这个题目同样非常适用，基本思路就是固定一个字符，然后对剩余的字符做全排列……不赘述，请自己想。如果你也跟我一样永远想不明白递归，那就画画图，写写代码，debug一下，每天花3-4个小时，静下心来仔细捉摸，总（ye）会（bu）想（hui）明白的。贴一段July和他伙伴们在《程序员编程艺术：面试和算法心得》中的代码实现，供做噩梦时使用。p.s. 我已加了注释
/*
* Permute full array of input string by general recusion
* @ char* perm [in/out] The string need to do permutation
* @ int from [in] The start position of the string
* @ int to [in] The end position of the string
*/
void CalcAllPermutation(char* perm, int from, int to)
{
if (to <= 1)
{
return;
}
if (from == to)
{
//all characters has been permuted
for (int i = 0; i <= to; i++)
cout << perm[i];
cout << endl;
}
else
{
// always select one character, then full array the left ones.
for (int j = from; j <= to; j++)
{
swap(perm[j], perm[from]); //swap the selected character to the beginning of string
CalcAllPermutation(perm, from + 1, to); // Permute left characters in full array.
swap(perm[j], perm[from]); //recovery the string to original one (swap the selected character back to its position.)
}
}
}
字典序
这是一个比递归更有趣的答案，不知道算不算经典解法，起码开拓了思路，跟每一次接触新鲜的算法一样，仍然想了半天的时间，因此照例把思考过程更细致的记录下来（虽然July和他伙伴们在《程序员编程艺术：面试和算法心得》中已经说了很多），再加上一些小修改。
字典序，顾名思义，就是按照字典的顺序进行排列。根据维基百科的定义：给定两个偏序集A和B,(a,b)和(a′,b′)属于笛卡尔集 A × B，则字典序定义为(a,b) ≤ (a′,b′) 当且仅当 a < a′ 或 (a = a′ 且 b ≤ b′)。所以给定两个字符串，逐个字符比较，那么先出现较小字符的那个串字典顺序小，如果字符一直相等，较短的串字典顺序小。例如：abc < abcd < abde < afab。
总结一下，字典序排序其实就是同一组字符组成的一系列字符串，
起点： 字典序最小的排列, 1~n , 例如12345
终点： 字典序最大的排列，n~1, 例如54321
过程： 从当前字符串排列生成字典序刚好比它大的下一个排列，比如12345的字典序下一个排列是12354
现在来进一步分析一下算法实现，其实对于字典序排列，关键点就是找到“下一个排列”。基本的查找方法
假定现有字符串(A)x(B)，它的下一个排列是：(A)y(B’)，其中A、B和B’是“字符串”(可能为空），x和y是“字符”，前缀相同，都是A，且一定有y > x。那么，为使下一个排列字典顺序尽可能小，必有：
- A尽可能长 （A越长，那么B‘就越短，从而y所在的位越低，很明显的同一个字符放在低位肯定比放在高位要小，比如：100<10< 1, abc
- y尽可能小 （同一个位置上，字符越小整个字符串的字典序越小，比如：131<121, acd
- B'里的字符按由小到大递增排列 (小朋友都懂的道理不解释)
- y尽可能小 （同一个位置上，字符越小整个字符串的字典序越小，比如：131<121, acd
现在的问题是如何找到“x”和“y”?
举个例子，现在我们要找21543的下一个排列，我们可以从左至右逐个扫描每个数，看哪个能增大（至于如何判定能增大，是根据如果一个数右面有比它大的数存在，那么这个数就能增大），我们可以看到最后一个能增大的数是：x = 1。而1应该增大到多少？1能增大到它右面比它大的那一系列数中最小的那个数，即：y = 3，故此时21543的下一个排列应该变为23xxx，显然 xxx(对应之前的B’）应由小到大排，于是我们最终找到比“21543”大，但字典顺序尽量小的23145，找到的23145刚好比21543大。
抽象概括一下上面的例子就是“二找、一交换、一翻转”。
- 一找：找到排列中最后（最右）一个升序的首位位置i，x = ai
- 二找：找到排列中第i位右边最后一个比ai 大的位置j，y = aj
- 一交换：交换x，y
- 一翻转：把第(i+ 1)位到最后的部分翻转
*升序：相邻两个位置ai < ai+1，ai 称作该升序的首位
找21543的下一个排列，套用“二找、一交换、一翻转”就是
- 一找: 找到排列中最后（最右）一个升序的首位, x = 1
- 二找: 找到排列中1的右边最后一个比1大的位置，y = 3
- 一交换：1和3交换，得23541
- 一翻转：翻转541，得23145
道理讲完了，但是你真的懂了吗？反正本人看到这里又看了算法之后，仍然懵懵懂懂（请原谅我的智商吧，其实我自己也挺着急的，妈妈已经急哭，表示对我放弃治疗了）。因此，下面的部分很重要。
首先来看第一找“找到排列中最后（最右）一个升序的首位位置i，x = ai”
这意味着什么？这意味着字符串在x之后所有字符都是降序排列的，如下图。在找到x=1之前，543已经达到了最大字典序，因此不可能通过改变543的顺序得到更大的字符串。
那么为什么不是修改首位的“2”呢？还记得前面介绍的字符串(A)x(B)的下一个排列是(A)y(B’)的方法吗？，A要尽可能长。对“1”进行操作正式保证了A尽可能长。
接下来，看一下第二找和一交换：“找到排列中第i位右边最后一个比ai 大的位置j，y = aj”，“交换x，y”
说完了“A要尽可能长”，现在该说y要尽可能小了。为什么“第二找”和“一交换”之后，y就最小了呢？既然首位的“2”是不在范围内的，而“1”（即x）是要被交换的，那么y只能来自“5”，“4”，'3“，因为543是降序排列的（注意，x可是找到的字符串中最后一个升序的首位哟），因此“5”，“4”，'3“中比”1“（即x）大的最小的字符就是y。于是y=3。交换x，y之后，即得到新的字符串(A)y(B')
此时的B'仍然不是我们最终需要的B'，因为它还不满足最后一个条件B'里的字符按由小到大递增排列。为了做到这一点，于是有了最后的“一翻转”。那么为什么简单的翻转之后B'里的字符就按照由小到大的顺序排列了呢？
我们在来回顾一下B和B‘的确定过程。首先，B是一个降序排列的字符串；然后我们在B中找到了比x小的最小的y（此处有些绕，自己写几个字符串就一目了然了），也就是说y的右侧如果还有字符的话也一定比x小（因为B是降序），接下来交换x和y得到B'，因此B’也是降序的。对于一个降序的字符串来说，翻转之后即为升序排列。于是我们得到了最终的(A)y(B')，即23145。
代码实现
好了，该讲的都讲完了，现在看代码
/*
* Find out the next (bigger) permutation of current string.
* @ char* perm [in/out] String
* @ int num [in] The length of string.
*/
bool FindNextPermutation(char* perm, int num)
{
int i = 0;
for(i = num - 2; (perm[i] >= perm[i+1]) && i >= 0; --i)
; // Find x
if(i < 0)
{
return false; // The input string is a single character
}
int j = 0;
for(j = num - 1; (j > i) && perm[j] <= perm[i]; --j)
; // Find y
swap(perm[i], perm[j]); // swap x and y
reverse(perm + i + 1, perm + num); // reverse B'
return true;
}
这段代码实现了从当前字符串生成字典序刚好比它大的下一个排列，但是如果我们拿到的字符串不是字典序最小的排列，该如何处理呢？两种方法
方法一：
对原始字符串进行排序，将原始字符串转换为字典序最小的排列后，再通过字典序排序进行全排列。这样做的好处是实现简单，缺点是要多做一次字符串排序。关于排序算法不在本文讨论范围，这里我直接使用了STL的sort函数
void CalcByDictionary(const string &str)
{
char* perm = const_cast(str.c_str());
sort(perm, perm+str.size());
cout<
方法二：
既然给定一个字符串我们可以生成字典序刚好比它大的下一个排列，那么就可以生成字典序刚好比它小的前一个排列。具体方法请自行思考（将前面讲的内容全部反过来想）。这样做的优点是节省了一次字符串排序，缺点是烧脑（还要照葫芦画瓢，实现一个向前查找的函数）
void CalcByDictionary(const string &str)
{
string s = str;
char* perm = const_cast(str.c_str());
cout<(s.c_str());
while(true)
{
if(!FindNextPermutation(perm, num))
{
break;
}
cout</*
* Find out the previous (smaller) permutation of current string.
* @ char* perm [in/out] String
* @ int num [in] The length of string.
*/
bool FindPrePermutation(char* perm, int num)
{
int i = 0;
for(i = num - 2; (perm[i] <= perm[i+1]) && i >= 0; --i)
;
if(i < 0)
{
return false;
}
int j = 0;
for(j = num - 1; (j > i) && perm[j] >= perm[i]; --j)
;
swap(perm[i], perm[j]);
reverse(perm + i + 1, perm + num);
return true;
}
题外话
最近一直在看July和他伙伴们的《程序员编程艺术：面试和算法心得》，收获良多。在学习的过程中发现，虽然原书讲解的很细致，但是真正理解仍然需要花费大量的思考和实践。因此做了这个系列的文章，只是希望将自己的思考记录下来，供以后查阅。