名企面试官精讲典型编程题之数据结构字符串篇

名企面试官精讲典型编程题之数据结构字符串篇

字符串是由若干字符组成的序列。由于字符串在编程时使用的频率非常高，为了优化，很多语言都对字符串做了特殊的规定。下面分别讨论C/C++和C#中字符串的特性。

C/C++ 中每个字符串都以字符'\0'作为结尾，这样我们就能很方便地找到字符串的最后尾部。但由于这个特点，每个字符串中都有一个额外字符的开销，稍不留神就会造成字符串的越界。比如下面的代码：

char str[10];

strcpy(str,"0123456789");

我们先声明一个长度为10的字符数组，然后把字符串"0123456789"复制到数组中。"0123456789"这个字符串看起来只有10个字符，但实际上它的末尾还有一个'\0'字符，因此它的实际长度为11个字节。要正确地复制该字符串，至少需要一个长度为11个字节的数组。

为了节省内存，C/C++把常量字符串放到单独的一个内存区域。当几个指针赋值给相同的常量字符串时，它们实际上会指向相同的内存地址。但用常量内存初始化数组，情况却有所不同。下面通过一个面试题来学习这一知识点。运行下面的代码，得到的结果是什么？

int _tmain(int argc,_TCHAR* argv[])

{

char str1[] = "hello world";

char str2[] = "hello world";

char* str3 = "hello world";

char* str4 = "hello world";

if(str1 == str2)

printf("str1 and str2 are same.\n");

else

printf("str1 and str2 are notsame.\n");

if(str3 == str4)

printf("str3 and str4 aresame.\n");

else

printf("str3 and str4 are notsame.\n");

return 0;

}

str1和str2是两个字符串数组，我们会为它们分配两个长度为12个字节的空间，并把"hello world"的内容分别复制到数组中去。这是两个初始地址不同的数组，因此str1和str2的值也不相同，所以输出的第一行是”str1 and str2 are not same”。

str3和str4是两个指针，我们无须为它们分配内存以存储字符串的内容，而只需要把它们指向"helloworld”在内存中的地址就可以了。由于"hello world”是常量字符串，它在内存中只有一个拷贝，因此str3和str4指向的是同一个地址。所以比较str3和str4的值得到的结果是相同的，输出的第二行是”str3 and str4 are same”。

在C#中，封装字符串的类型System.String有一个非常特殊的性质：String中的内容是不能改变的。一旦试图改变String的内容，就会产生一个新的实例。请看下面的C#代码：

String str ="hello";

str.ToUpper();

str.Insert(0, "WORLD");

虽然我们对str做了ToUpper和Insert两个操作，但操作的结果都是生成一个新的String实例并在返回值中返回，str本身的内容都不会发生改变，因此最终str的值仍然是"hello"。由此可见，如果试图改变String的内容，改变之后的值只可以通过返回值得到。用String作连续多次修改，每一次修改都会产生一个临时对象，这样开销太大会影响效率。为此C#定义了一个新的与字符串相关的类型StringBuilder，它能容纳修改后的结果。因此如果要连续多次修改字符串内容，用StringBuilder是更好的选择。

和修改String内容类似，如果我们试图把一个常量字符串赋值给一个String实例，也不是把String的内容改成赋值的字符串，而是生成一个新的String实例。请看下面的代码：

class Program

{

internal static void ValueOrReference(Typetype)

{

String result = "The type " +type.Name;

if (type.IsValueType)

Console.WriteLine(result + " is avalue type.");

else

Console.WriteLine(result + "is a reference type.");

}

internal static void ModifyString(Stringtext)

{

text = "world";

}

static void Main(string[] args)

{

String text = "hello";

ValueOrReference(text.GetType());

ModifyString(text);

Console.WriteLine(text);

}

}

在上面的代码中，我们先判断String是值类型还是引用类型。类型String的定义是public sealed class String {...}。既然是class，那么String自然就是引用类型。接下来在方法ModifyString里，对text赋值一个新的字符串。我们要记得text的内容是不能被修改的。此时会先生成一个新的内容是"world"的String实例，然后把text指向这个新的实例。由于参数text没有加ref或者out，出了方法ModifyString之后，text还是指向原来的字符串，因此输出仍然是"hello"。要想实现出了函数之后text变成"world"的效果，我们必须把参数text标记ref或者out。

面试题4：替换空格

题目：请实现一个函数，把字符串中的每个空格替换成"%20"。例如输入“We are happy.”，则输出“We%20are%20happy.”。

在网络编程中，如果URL参数中含有特殊字符，如空格、'#'等，可能导致服务器端无法获得正确的参数值。我们需要将这些特殊符号转换成服务器可以识别的字符。转换的规则是在'%'后面跟上ASCII码的两位十六进制的表示。比如空格的ASCII码是32，即十六进制的0x20，因此空格被替换成"%20"。再比如'#'的ASCII码为35，即十六进制的0x23，它在URL中被替换为"%23"。

看到这个题目，我们首先应该想到的是原来一个空格字符，替换之后变成'%'、'2'和'0'这3个字符，因此字符串会变长。如果是在原来的字符串上做替换，那么就有可能覆盖修改在该字符串后面的内存。如果是创建新的字符串并在新的字符串上做替换，那么我们可以自己分配足够多的内存。由于有两种不同的解决方案，我们应该向面试官问清楚，让他明确告诉我们他的需求。假设面试官让我们在原来的字符串上做替换，并且保证输入的字符串后面有足够多的空余内存。

 时间复杂度为O(n2)的解法，不足以拿到Offer

现在我们考虑怎么做替换操作。最直观的做法是从头到尾扫描字符串，每一次碰到空格字符的时候做替换。由于是把1个字符替换成3个字符，我们必须要把空格后面所有的字符都后移两个字节，否则就有两个字符被覆盖了。

举个例子，我们从头到尾把"We are happy."中的每一个空格替换成"%20"。为了形象起见，我们可以用一个表格来表示字符串，表格中的每个格子表示一个字符（如图2.3（a）所示）。

图2.3从前往后把字符串中的空格替换成'%20'的过程

注：（a）字符串"Weare happy."。（b）把字符串中的第一个空格替换成'%20'。灰色背景表示需要移动的字符。（c）把字符串中的第二个空格替换成'%20'。浅灰色背景表示需要移动一次的字符，深灰色背景表示需要移动两次的字符。

我们替换第一个空格，这个字符串变成图2.3（b）中的内容，表格中灰色背景的格子表示需要做移动的区域。接着我们替换第二个空格，替换之后的内容如图2.3（c）所示。同时，我们注意到用深灰色背景标注的"happy"部分被移动了两次。

假设字符串的长度是n。对每个空格字符，需要移动后面O(n)个字符，因此对含有O(n)个空格字符的字符串而言总的时间效率是O(n2)。

当我们把这种思路阐述给面试官后，他不会就此满意，他将让我们寻找更快的方法。在前面的分析中，我们发现数组中很多字符都移动了很多次，能不能减少移动次数呢？答案是肯定的。我们换一种思路，把从前向后替换改成从后向前替换。

 时间复杂度为O(n)的解法，搞定Offer就靠它了

我们可以先遍历一次字符串，这样就能统计出字符串中空格的总数，并可以由此计算出替换之后的字符串的总长度。每替换一个空格，长度增加2，因此替换以后字符串的长度等于原来的长度加上2乘以空格数目。我们还是以前面的字符串"We are happy."为例，"We arehappy."这个字符串的长度是14（包括结尾符号'\0'），里面有两个空格，因此替换之后字符串的长度是18。

我们从字符串的后面开始复制和替换。首先准备两个指针，P1和P2。P1指向原始字符串的末尾，而P2指向替换之后的字符串的末尾（如图2.4（a）所示）。接下来我们向前移动指针P1，逐个把它指向的字符复制到P2指向的位置，直到碰到第一个空格为止。此时字符串包含如图2.4（b）所示，灰色背景的区域是做了字符拷贝（移动）的区域。碰到第一个空格之后，把P1向前移动1格，在P2之前插入字符串"%20"。由于"%20"的长度为3，同时也要把P2向前移动3格如图2.4（c）所示。

我们接着向前复制，直到碰到第二个空格（如图2.4（d）所示）。和上一次一样，我们再把P1向前移动1格，并把P2向前移动3格插入"%20"（如图2.4（e）所示）。此时P1和P2指向同一位置，表明所有空格都已经替换完毕。

从上面的分析我们可以看出，所有的字符都只复制（移动）一次，因此这个算法的时间效率是O(n)，比第一个思路要快。

图2.4从后往前把字符串中的空格替换成“%20”的过程

注：图中带有阴影的区域表示被移动的字符。（a）把第一个指针指向字符串的末尾，把第二个指针指向替换之后的字符串的末尾。（b）依次复制字符串的内容，直至第一个指针碰到第一个空格。（c）把第一个空格替换成'%20'，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。（d）依次向前复制字符串中的字符，直至碰到空格。（e）替换字符串中的倒数第二个空格，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。

在面试的过程中，我们也可以和前面的分析一样画一两个示意图解释自己的思路，这样既能帮助我们理清思路，也能使我们和面试官的交流变得更加高效。在面试官肯定我们的思路之后，就可以开始写代码了。下面是参考代码：

/*length 为字符数组string的总容量*/

voidReplaceBlank(char string[], int length)

{

if(string == NULL && length <=0)

return;

/*originalLength 为字符串string的实际长度*/

int originalLength = 0;

int numberOfBlank = 0;

int i = 0;

while(string[i] != '\0')

{

++ originalLength;

if(string[i] == ' ')

++ numberOfBlank;

++ i;

}

/*newLength 为把空格替换成'%20'之后的长度*/

int newLength = originalLength +numberOfBlank * 2;

if(newLength > length)

return;

int indexOfOriginal = originalLength;

int indexOfNew = newLength;

while(indexOfOriginal >= 0 &&indexOfNew > indexOfOriginal)

{

if(string[indexOfOriginal] == ' ')

{

string[indexOfNew --] = '0';

string[indexOfNew --] = '2';

string[indexOfNew --] = '%';

}

else

{

string[indexOfNew --] =string[indexOfOriginal];

}

-- indexOfOriginal;

}

}

源代码：

本题完整的源代码详见04_ReplaceBlank项目。

测试用例：

输入的字符串中包含空格（空格位于字符串的最前面，空格位于字符串的最后面，空格位于字符串的中间，字符串中有连续多个空格）。

输入的字符串中没有空格。

特殊输入测试（字符串是个NULL指针、字符串是个空字符串、字符串只有一个空格字符、字符串中只有连续多个空格）。

本题考点：

考查对字符串的编程能力。

考查分析时间效率的能力。我们要能清晰地分析出两种不同方法的时间效率各是多少。

考查对内存覆盖是否有高度的警惕。在分析得知字符串会变长之后，我们能够意识到潜在的问题，并主动和面试官沟通以寻找问题的解决方案。

考查思维能力。在从前到后替换的思路被面试官否定之后，我们能迅速想到从后往前替换的方法，这是解决此题的关键。

相关题目：

有两个排序的数组A1和A2，内存在A1的末尾有足够多的空余空间容纳A2。请实现一个函数，把A2中的所有数字插入到A1中并且所有的数字是排序的。

和前面的例题一样，很多人首先想到的办法是在A1中从头到尾复制数字，但这样就会出现多次复制一个数字的情况。更好的办法是从尾到头比较A1和A2中的数字，并把较大的数字复制到A1的合适位置。

举一反三：

合并两个数组（包括字符串）时，如果从前往后复制每个数字（或字符）需要重复移动数字（或字符）多次，那么我们可以考虑从后往前复制，这样就能减少移动的次数，从而提高效率。

本文选自《剑指Offer——名企面试官精讲典型编程题》一书

图书详细信息:http://blog.csdn.net/broadview2006/article/details/7043805