42. 接雨水 - 力扣(LeetCode)
下面就来由浅入深介绍暴力解法 -> 备忘录解法 -> 双指针解法,在 O(N) 时间 O(1) 空间内解决这个问题。
所以对于这种问题,我们不要想整体,而应该去想局部;就像之前的文章写的动态规划问题处理字符串问题,不要考虑如何处理整个字符串,而是去思考应该如何处理每一个字符。
这么一想,可以发现这道题的思路其实很简单。具体来说,仅仅对于位置 `i`,能装下多少水呢?
能装 2 格水,因为 `height[i]` 的高度为 0,而这里最多能盛 2 格水,2-0=2。
为什么位置 `i` 最多能盛 2 格水呢?因为,位置 `i` 能达到的水柱高度和其左边的最高柱子、右边的最高柱子有关,我们分别称这两个柱子高度为 `l_max` 和 `r_max`;位置 i 最大的水柱高度就是 `min(l_max, r_max)`。
更进一步,对于位置 `i`,能够装的水为
water[i] = min(
# 左边最高的柱子
max(height[0..i]),
# 右边最高的柱子
max(height[i..end])
) - height[i]
这就是本问题的核心思路,我们可以简单写一个暴力算法:
int trap(int[] height) {
int n = height.length;
int res = 0;
for (int i = 1; i < n - 1; i++) {
int l_max = 0, r_max = 0;
// 找右边最高的柱子
for (int j = i; j < n; j++)
r_max = Math.max(r_max, height[j]);
// 找左边最高的柱子
for (int j = i; j >= 0; j--)
l_max = Math.max(l_max, height[j]);
// 如果自己就是最高的话,
// l_max == r_max == height[i]
res += Math.min(l_max, r_max) - height[i];
}
return res;
}
有之前的思路,这个解法应该是很直接粗暴的,时间复杂度 O(N^2),空间复杂度 O(1)。但是很明显这种计算 `r_max` 和 `l_max` 的方式非常笨拙,一般的优化方法就是备忘录。
之前的暴力解法,不是在每个位置 `i` 都要计算 `r_max` 和 `l_max` 吗?我们直接把结果都提前计算出来,别傻不拉几的每次都遍历,这时间复杂度不就降下来了嘛。
我们开两个数组 `r_max` 和 `l_max` 充当备忘录,`l_max[i]` 表示位置 `i` 左边最高的柱子高度,`r_max[i]` 表示位置 `i` 右边最高的柱子高度。预先把这两个数组计算好,避免重复计算:
class Solution {
int trap(int[] height) {
if (height.length == 0) {
return 0;
}
int n = height.length;
int res = 0;
// 数组充当备忘录
int[] l_max = new int[n];
int[] r_max = new int[n];
// 初始化 base case
l_max[0] = height[0];
r_max[n - 1] = height[n - 1];
// 从左向右计算 l_max
for (int i = 1; i < n; i++)
l_max[i] = Math.max(height[i], l_max[i - 1]);
// 从右向左计算 r_max
for (int i = n - 2; i >= 0; i--)
r_max[i] = Math.max(height[i], r_max[i + 1]);
// 计算答案
for (int i = 1; i < n - 1; i++)
res += Math.min(l_max[i], r_max[i]) - height[i];
return res;
}
}
这个优化其实和暴力解法思路差不多,就是避免了重复计算,把时间复杂度降低为 O(N),已经是最优了,但是空间复杂度是 O(N)。下面来看一个精妙一些的解法,能够把空间复杂度降低到 O(1)。
这种解法的思路是完全相同的,但在实现手法上非常巧妙,我们这次也不要用备忘录提前计算了,而是用双指针边走边算,节省下空间复杂度。
首先,看一部分代码:
int trap(int[] height) {
int left = 0, right = height.length - 1;
int l_max = 0, r_max = 0;
while (left < right) {
l_max = Math.max(l_max, height[left]);
r_max = Math.max(r_max, height[right]);
// 此时 l_max 和 r_max 分别表示什么?
left++; right--;
}
}
对于这部分代码,请问 `l_max` 和 `r_max` 分别表示什么意义呢?
很容易理解,`l_max` 是 `height[0..left]` 中最高柱子的高度,`r_max` 是 `height[right..end]` 的最高柱子的高度。
明白了这一点,直接看解法:
class Solution {
int trap(int[] height) {
int left = 0, right = height.length - 1;
int l_max = 0, r_max = 0;
int res = 0;
while (left < right) {
l_max = Math.max(l_max, height[left]);
r_max = Math.max(r_max, height[right]);
// res += min(l_max, r_max) - height[i]
if (l_max < r_max) {
res += l_max - height[left];
left++;
} else {
res += r_max - height[right];
right--;
}
}
return res;
}
}
你看,其中的核心思想和之前一模一样,换汤不换药。但是此解法还是有点细节差异:
之前的备忘录解法,`l_max[i]` 和 `r_max[i]` 分别代表 `height[0..i]` 和 `height[i..end]` 的最高柱子高度。
res += Math.min(l_max[i], r_max[i]) - height[i];
但是双指针解法中,`l_max` 和 `r_max` 代表的是 `height[0..left]` 和 `height[right..end]` 的最高柱子高度。比如这段代码:
if (l_max < r_max) {
res += l_max - height[left];
left++;
}
此时的 `l_max` 是 `left` 指针左边的最高柱子,但是 `r_max` 并不一定是 `left` 指针右边最高的柱子,这真的可以得到正确答案吗?
其实这个问题要这么思考,我们只在乎 `min(l_max, r_max)`。对于上图的情况,我们已经知道 `l_max < r_max` 了,至于这个 `r_max` 是不是右边最大的,不重要。重要的是 `height[i]` 能够装的水只和较低的 `l_max` 之差有关:
这样,接雨水问题就解决了。