[算法题] 荷兰国旗问题

1. 问题描述

荷兰国旗是由红白蓝3种颜色的条纹拼接而成，如下图所示：

假设这样的条纹有多条，且各种颜色的数量不一，并且随机组成了一个新的图形，新的图形可能如下图所示，但是绝非只有这一种情况：

需求是：把这些条纹按照颜色排好，红色的在上半部分，白色的在中间部分，蓝色的在下半部分，我们把这类问题称作荷兰国旗问题。

我们把荷兰国旗问题用数组的形式表达一下是这样的：

给定一个整数数组，给定一个值K，这个值在原数组中一定存在，要求把数组中小于K的元素放到数组的左边，大于K的元素放到数组的右边，等于K的元素放到数组的中间，最终返回一个整数数组，其中只有两个值，分别是等于K的数组部分的左右两个下标值。

例如，给定数组：[2, 3, 1, 9, 7, 6, 1, 4, 5]，给定一个值4，那么经过处理原数组可能得一种情况是：[2, 3, 1, 1, 4, 9, 7, 6, 5]，需要注意的是，小于4的部分不需要有序，大于4的部分也不需要有序，返回等于4部分的左右两个下标，即[4, 4]

2. 处理过程图示

我们以上面举的例子来看看处理过程的图示：

image.png

• less 用于记录小于 4 的区域的右下标，初始为-1，代表不存在
• more 用于记录大于 4 区域的左下标，初始为9，代表不存在
• L 用于正在遍历的元素的下标，初始值为0
• 从 arr[L] 即 arr[0] 开始遍历数组
  • 如果 arr[L] > 4, 交换 arr[++ less] 和 arr[L++] 的值
  • 如果 arr[L] < 4, 交换 arr[--more] 和 arr[L] 的值
  • 如果 arr[L] = 4, 不交换，L++，直接遍历下一个值
• 当 L >= more，退出循环。

3. Java代码实现

public static int[] partition(int[] arr, int L, int R, int p) {
    int less = L - 1;
    int more = R + 1;
    while(L < more) {
        if(arr[L] < p) {
            swap(arr, ++less, L++);
        } else if (arr[L] > p) {
            swap(arr, --more, L);
        } else {
            L++;
        }
    }
    return new int[] { less + 1, more - 1 };
}

public static void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}