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关于算法:特殊数据结构单调栈

读完本文,你能够去力扣拿下如下题目:

496. 下一个更大元素 I

503. 下一个更大元素 II

1118. 一月有多少天

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栈(stack)是很简略的一种数据结构,先进后出的逻辑程序,合乎某些问题的特点,比如说函数调用栈。

枯燥栈实际上就是栈,只是利用了一些奇妙的逻辑,使得每次新元素入栈后,栈内的元素都放弃有序(枯燥递增或枯燥递加)。

听起来有点像堆(heap)?不是的,枯燥栈用处不太宽泛,只解决一种典型的问题,叫做 Next Greater Element。本文用解说枯燥队列的算法模版解决这类问题,并且探讨解决「循环数组」的策略。

首先,解说 Next Greater Number 的原始问题:给你一个数组,返回一个等长的数组,对应索引存储着下一个更大元素,如果没有更大的元素,就存 -1。不好用语言解释分明,间接上一个例子:

给你一个数组 [2,1,2,4,3],你返回数组 [4,2,4,-1,-1]。

解释:第一个 2 前面比 2 大的数是 4; 1 前面比 1 大的数是 2;第二个 2 前面比 2 大的数是 4; 4 前面没有比 4 大的数,填 -1;3 前面没有比 3 大的数,填 -1。

这道题的暴力解法很好想到,就是对每个元素前面都进行扫描,找到第一个更大的元素就行了。然而暴力解法的工夫复杂度是 O(n^2)。

这个问题能够这样形象思考:把数组的元素设想成并列站立的人,元素大小设想成人的身高。这些人面对你站成一列,如何求元素「2」的 Next Greater Number 呢?很简略,如果可能看到元素「2」,那么他前面可见的第一个人就是「2」的 Next Greater Number,因为比「2」小的元素身高不够,都被「2」挡住了,第一个露出来的就是答案。

这个情景很好了解吧?带着这个形象的情景,先来看下代码。

vector<int> nextGreaterElement(vector<int>& nums) {vector<int> ans(nums.size()); // 寄存答案的数组
    stack<int> s;
    for (int i = nums.size() - 1; i >= 0; i--) { // 倒着往栈里放
        while (!s.empty() && s.top() <= nums[i]) { // 断定个子高矮
            s.pop(); // 矮个起开,反正也被挡着了。。。}
        ans[i] = s.empty() ? -1 : s.top(); // 这个元素身后的第一个高个
        s.push(nums[i]); // 进队,承受之后的身高断定吧!}
    return ans;
}

这就是枯燥队列解决问题的模板。for 循环要从后往前扫描元素,因为咱们借助的是栈的构造,倒着入栈,其实是正着出栈。while 循环是把两个“高个”元素之间的元素排除,因为他们的存在没有意义,后面挡着个“更高”的元素,所以他们不可能被作为后续进来的元素的 Next Great Number 了。

这个算法的工夫复杂度不是那么直观,如果你看到 for 循环嵌套 while 循环,可能认为这个算法的复杂度也是 O(n^2),然而实际上这个算法的复杂度只有 O(n)。

剖析它的工夫复杂度,要从整体来看:总共有 n 个元素,每个元素都被 push 入栈了一次,而最多会被 pop 一次,没有任何冗余操作。所以总的计算规模是和元素规模 n 成正比的,也就是 O(n) 的复杂度。

当初,你曾经把握了枯燥栈的应用技巧,来一个简略的变形来加深一下了解。

给你一个数组 T = [73, 74, 75, 71, 69, 72, 76, 73],这个数组寄存的是近几天的天气气温(这气温是铁板烧?不是的,这里用的华氏度)。你返回一个数组,计算:对于每一天,你还要至多等多少天能力等到一个更温暖的气温;如果等不到那一天,填 0。

举例:给你 T = [73, 74, 75, 71, 69, 72, 76, 73],你返回 [1, 1, 4, 2, 1, 1, 0, 0]。

解释:第一天 73 华氏度,第二天 74 华氏度,比 73 大,所以对于第一天,只有等一天就能等到一个更温暖的气温。前面的同理。

你曾经对 Next Greater Number 类型问题有些敏感了,这个问题实质上也是找 Next Greater Number,只不过当初不是问你 Next Greater Number 是多少,而是问你以后间隔 Next Greater Number 的间隔而已。

雷同类型的问题,雷同的思路,间接调用枯燥栈的算法模板,稍作改变就能够啦,间接上代码把。

vector<int> dailyTemperatures(vector<int>& T) {vector<int> ans(T.size());
    stack<int> s; // 这里放元素索引,而不是元素
    for (int i = T.size() - 1; i >= 0; i--) {while (!s.empty() && T[s.top()] <= T[i]) {s.pop();
        }
        ans[i] = s.empty() ? 0 : (s.top() - i); // 失去索引间距
        s.push(i); // 退出索引,而不是元素
    }
    return ans;
}

枯燥栈解说结束。上面开始另一个重点:如何解决「循环数组」。

同样是 Next Greater Number,当初假如给你的数组是个环形的,如何解决?

给你一个数组 [2,1,2,4,3],你返回数组 [4,2,4,-1,4]。领有了环形属性,最初一个元素 3 绕了一圈后找到了比本人大的元素 4。

首先,计算机的内存都是线性的,没有真正意义上的环形数组,然而咱们能够模拟出环形数组的成果,个别是通过 % 运算符求模(余数),取得环形特效:

int[] arr = {1,2,3,4,5};
int n = arr.length, index = 0;
while (true) {print(arr[index % n]);
    index++;
}

回到 Next Greater Number 的问题,减少了环形属性后,问题的难点在于:这个 Next 的意义不仅仅是以后元素的左边了,有可能呈现在以后元素的右边(如上例)。

明确问题,问题就曾经解决了一半了。咱们能够思考这样的思路:将原始数组“翻倍”,就是在前面再接一个原始数组,这样的话,依照之前“比身高”的流程,每个元素不仅能够比拟本人左边的元素,而且也能够和右边的元素比拟了。

怎么实现呢?你当然能够把这个双倍长度的数组结构进去,而后套用算法模板。然而,咱们能够不必结构新数组,而是利用循环数组的技巧来模仿。间接看代码吧:

vector<int> nextGreaterElements(vector<int>& nums) {int n = nums.size();
    vector<int> res(n); // 寄存后果
    stack<int> s;
    // 伪装这个数组长度翻倍了
    for (int i = 2 * n - 1; i >= 0; i--) {while (!s.empty() && s.top() <= nums[i % n])
            s.pop();
        res[i % n] = s.empty() ? -1 : s.top();
        s.push(nums[i % n]);
    }
    return res;
}
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