5年前发生的一件事,成为了我职业生涯的重要转折点。当时的我在交大读研,对互联网求职一无所知,但仍然硬着头皮申请了 Microsoft 实习生。面试官让我在白板上写出“快速排序”代码,我畏畏缩缩地写了一个“冒泡排序”,并且还写错了。从面试官的表情上,我知道失败了。
此次失利倒逼我开始刷算法题。我采用“扫雷游戏”式的学习方法,两眼一抹黑刷题,扫到不会的“雷”就通过查资料把它“排掉”,配合周期性总结,幸运地,我在秋招斩获了多家大厂的 Offer 。
当前的就业环境不好,找工作也卷的很,各种面试题也是千奇百怪。回想自己当初在“扫雷式”刷题中被炸的满头包的痛苦,思考良久,我意识到“前期刷题必看”的资料太有必要,可以使让我们在初入职场少走许多弯路。
介绍的内容分为复杂度分析、数据结构、算法三个部分,限于篇幅原因,我下面会举2个案例,以 Python 讲解,当然也支持JAVA、C++、GO、C#等编程语言,完整版内容在下方
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数组 Array 是一种将 相同类型元素 存储在连续内存空间的数据结构,将元素在数组中的位置称为元素的索引 Index。
观察上图,我们发现数组首元素的索引为0。你可能会想,这并不符合日常习惯,首个元素的索引为什么不是1呢,这不是更加自然吗?我认同你的想法,但请先记住这个设定,后面讲内存地址计算时,我会尝试解答这个问题。
数组有多种初始化写法。根据实际需要,选代码最短的那一种就好。
""" 初始化数组 """
arr = [0] * 5 # [ 0, 0, 0, 0, 0 ]
nums = [1, 3, 2, 5, 4]
优点:在数组中访问元素非常高效。这是因为在数组中,计算元素的内存地址非常容易。给定数组首个元素的地址、和一个元素的索引,利用以下公式可以直接计算得到该元素的内存地址,从而直接访问此元素。
为什么数组元素索引从 0 开始编号? 根据地址计算公式,索引本质上表示的是内存地址偏移量,首个元素的地址偏移量是0 ,那么索引是0 也就很自然了。
访问元素的高效性带来了许多便利。例如,我们可以在 时间内随机获取一个数组中的元素。
""" 随机访问元素 """
def randomAccess(nums):
# 在区间 [0, len(nums)) 中随机抽取一个数字
random_index = random.randint(0, len(nums))
# 获取并返回随机元素
random_num = nums[random_index]
return random_num
缺点:数组在初始化后长度不可变。 由于系统无法保证数组之后的内存空间是可用的,因此数组长度无法扩展。而若希望扩容数组,则需新建一个数组,然后把原数组元素依次拷贝到新数组,在数组很大的情况下,这是非常耗时的。
""" 扩展数组长度 """
# 请注意,Python 的 list 是动态数组,可以直接扩展
# 为了方便学习,本函数将 list 看作是长度不可变的数组
def extend(nums, enlarge):
# 初始化一个扩展长度后的数组
res = [0] * (len(nums) + enlarge)
# 将原数组中的所有元素复制到新数组
for i in range(len(nums)):
res[i] = nums[i]
# 返回扩展后的新数组
return res
数组中插入或删除元素效率低下。假设我们想要在数组中间某位置插入一个元素,由于数组元素在内存中是“紧挨着的”,它们之间没有空间再放任何数据。因此,我们不得不将此索引之后的所有元素都向后移动一位,然后再把元素赋值给该索引。删除元素也是类似,需要把此索引之后的元素都向前移动一位。总体看有以下缺点:
数组遍历
以下介绍两种常用的遍历方法。
""" 遍历数组 """
def traverse(nums):
count = 0
# 通过索引遍历数组
for i in range(len(nums)):
count += 1
# 直接遍历数组
for num in nums:
count += 1
数组查找
通过遍历数组,查找数组内的指定元素,并输出对应索引。
""" 在数组中查找指定元素 """
def find(nums, target):
for i in range(len(nums)):
if nums[i] == target:
return i
return -1
随机访问:如果我们想要随机抽取一些样本,那么可以用数组存储,并生成一个随机序列,根据索引实现样本的随机抽取。
二分查找:例如前文查字典的例子,我们可以将字典中的所有字按照拼音顺序存储在数组中,然后使用与日常查纸质字典相同的“翻开中间,排除一半”的方式,来实现一个查电子字典的算法。
深度学习:神经网络中大量使用了向量、矩阵、张量之间的线性代数运算,这些数据都是以数组的形式构建的。数组是神经网络编程中最常使用的数据结构。
快速排序 Quick Sort 是一种基于“分治思想”的排序算法,速度很快、应用很广。
快速排序的核心操作为哨兵划分,其目标为:选取数组某个元素为基准数,将所有小于基准数的元素移动至其左边,大于基准数的元素移动至其右边。哨兵划分的实现流程为:
哨兵划分执行完毕后,原数组被划分成两个部分,即左子数组和右子数组 ,且满足左子数组任意元素<基准数< 右子数组任意元素。因此,接下来我们只需要排序两个子数组即可。
""" 哨兵划分 """
def partition(self, nums, left, right):
# 以 nums[left] 作为基准数
i, j = left, right
while i < j:
while i < j and nums[j] >= nums[left]:
j -= 1 # 从右向左找首个小于基准数的元素
while i < j and nums[i] <= nums[left]:
i += 1 # 从左向右找首个大于基准数的元素
# 元素交换
nums[i], nums[j] = nums[j], nums[i]
# 将基准数交换至两子数组的分界线
nums[i], nums[left] = nums[left], nums[i]
return i # 返回基准数的索引
观察发现,快速排序和「二分查找」的原理类似,都是以对数阶的时间复杂度来缩小处理区间。
普通快速排序在某些输入下的时间效率变差。举个极端例子,假设输入数组是完全倒序的,由于我们选取最左端元素为基准数,那么在哨兵划分完成后,基准数被交换至数组最右端,从而左子数组长度为 n-1 、右子数组长度为0。这样进一步递归下去,每轮哨兵划分后的右子数组长度都为0,分治策略失效,快速排序退化为冒泡排序了。
为了尽量避免这种情况发生,我们可以优化一下基准数的选取策略。首先,在哨兵划分中,我们可以随机选取一个元素作为基准数 。但如果运气很差,每次都选择到比较差的基准数,那么效率依然不好。
进一步地,我们可以在数组中选取3个候选元素(一般为数组的首、尾、中点元素),并将三个候选元素的中位数作为基准数,这样基准数“既不大也不小”的概率就大大提升了。当然,如果数组很长的话,我们也可以选取更多候选元素,来进一步提升算法的稳健性。采取该方法后,时间复杂度劣化最差的概率极低。
""" 选取三个元素的中位数 """
def median_three(self, nums, left, mid, right):
# 使用了异或操作来简化代码
# 异或规则为 0 ^ 0 = 1 ^ 1 = 0, 0 ^ 1 = 1 ^ 0 = 1
if (nums[left] > nums[mid]) ^ (nums[left] > nums[right]):
return left
elif (nums[mid] < nums[left]) ^ (nums[mid] > nums[right]):
return mid
return right
""" 哨兵划分(三数取中值) """
def partition(self, nums, left, right):
# 以 nums[left] 作为基准数
med = self.median_three(nums, left, (left + right) // 2, right)
# 将中位数交换至数组最左端
nums[left], nums[med] = nums[med], nums[left]
# 以 nums[left] 作为基准数
# 下同省略...
普通快速排序在某些输入下的空间效率变差。仍然以完全倒序的输入数组为例,由于每轮哨兵划分后右子数组长度为 0 ,那么将形成一个高度为 n-1 的递归树,此时使用的栈帧空间大小劣化至 O(n) 。
为了避免栈帧空间的累积,我们可以在每轮哨兵排序完成后,判断两个子数组的长度大小,仅递归排序较短的子数组。由于较短的子数组长度不会超过 n/2,因此这样做能保证递归深度不超过log(n) ,即最差空间复杂度被优化至O(log(n)) 。
""" 快速排序(尾递归优化) """
def quick_sort(self, nums, left, right):
# 子数组长度为 1 时终止
while left < right:
# 哨兵划分操作
pivot = self.partition(nums, left, right)
# 对两个子数组中较短的那个执行快排
if pivot - left < right - pivot:
self.quick_sort(nums, left, pivot - 1) # 递归排序左子数组
left = pivot + 1 # 剩余待排序区间为 [pivot + 1, right]
else:
self.quick_sort(nums, pivot + 1, right) # 递归排序右子数组
right = pivot - 1 # 剩余待排序区间为 [left, pivot - 1]