C++算法学习三.哈希表

发布时间:2023年12月29日

?根据代码随想录,记录学习一些算法经验

1.哈希表理论基础

哈希表(散列表),是根据关键码的值直接访问的数据结构,以数组来解释比较直接,这个关键码就是数组的下标,通过下标直接访问元素,哈希表用来快速判断一个元素是否出现在集合里。数组查找是O(1)操作,

哈希函数是将其他的数据格式转换成不同数值,映射到哈希表上的索引数字,

哈希碰撞两个数据映射到同一个位置,解决方法:拉链法和线性探测法,拉链法就是将冲突的元素存在链表中,注:要选择合适的哈希表大小,线性探测法要保证哈希表的大小大于数据大小,如果碰撞发生找数组上下一个空位置放碰撞的元素,所以注:哈希表大小要大于数据大小,

常见三种哈希结构:

数组,set集合,map映射,

set:有三种set(红黑树,键有序),multiset(红黑树,键有序),unordered_set(哈希表,无序)(不可以更改数值)红黑树的查询和增删效率都是O(log n),而哈希表都是O(1),红黑树底层是平衡二叉搜素树,所以要求Key有序,

map:有三种map(红黑树,key有序),multimap(红黑树,key有序),unordered_map(哈希表,key无序),红黑树的查询和增删效率都是O(log n),而哈希表都是O(1)

用集合来解决哈希问题,首先考虑unordered_set,效率最高,要求集合有序set,如果还要求有重复元素multiset。

map是键值对,是一个key value 的数据结构,对key是有限制,对value没有限制的。

虽然std::set、std::multiset 的底层实现是红黑树,不是哈希表,std::set、std::multiset 使用红黑树来索引和存储,不过给我们的使用方式,还是哈希法的使用方式,即key和value。

数值比较小情况下使用数组,数值比较大情况用set,如果有key有值对应用map

哈希法:快速判断一个元素是否在集合里,典型利用空间换时间的方法。

2.有效的字母异位词(242题)

题目描述:给定两个字符串 s 和 t ,编写一个函数来判断 t 是否是 s 的字母异位词。(说白了就是是否一个字符串是否是由另一个字符串字母组成的)(注:字符串只有小写字母)

示例?1: 输入: s = "anagram", t = "nagaram" 输出: true

思想:因为字符串是小写字母,我们用一个数组来记录每个字符出现的次数即可,这个数组定义长度为26的数组,初始化为0,字符a到z,对s[i]-‘a’下标的元素记录,

class Solution {
public:
    bool isAnagram(string s, string t) {
        int recod[26]={0};//申请一个数组的哈希表,这个数组大小就是小写字母个数大小,初始化为0
        for(int i = 0;i<s.length();i++){//遍历s字符串,将s字符串的每一个字符跟a字符进行做差对应位置进行操作++,记录元素
            recod[s[i]-'a']++;
        }
        for(int j = 0;j<t.length();j++){//遍历T字符串,相反的操作
            recod[t[j]-'a']--;
        }
        for(int i = 0;i<26;i++){//遍历整个数组,如果有不为0说明不是字母异位词
            if(recod[i]!=0){
                return false;
            }
        }
        return true;//
    }
};

?时间复杂度为O(n),空间复杂度为O(1)。

3.两个数组的交集(349题)

题目描述:给定两个数组,编写一个函数来计算它们的交集,输入:nums1 = [1,2,2,1], nums2 = [2,2] 输出:[2],输出结果中的每个元素一定是唯一的。 我们可以不考虑输出结果的顺序。

思想:由于数组的树可能比较大,所以不太适用数组进行操作考虑set哈希结构,由于去重,且不考虑顺序,所以考虑unordered_set哈希表数据结构,

哈希值比较少,且比较分散,跨度比较大的时候不适用数组做哈希表。

其实哈希表的底层是无线存装的数组。

使用unordered_set哈希表进行操作

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
        unordered_set<int>result_set;//定义一个接收结果的哈希表可以去重
        unordered_set<int>nums_set(nums1.begin(),nums1.end());//将nums1数组映射哈希表nums_set中,其实就是将nums1作为哈希表
        for(int num : nums2){//从nums2中遍历元素
            if(nums_set.find(num) != nums_set.end()){//在哈希表发现这个元素
                result_set.insert(num);//放入结果哈希表进行去重,
            }
        }
        return vector<int>(result_set.begin(),result_set.end());//返回结果数组
    }
};

find()函数返回一个迭代器,指向范围内搜索元素的第一次出现。如果没有找到目标元素,则返回last,即查找范围的结尾。

find()也可以用于vector容器,用于查询指定元素是否存在。还有一个STL函数find(),它位于<algorithm>头文件下,返回一个迭代器,指向范围内搜索元素的第一次出现。

string类的find()函数用于在字符串中查找字符或子串,返回第一个匹配的位置。

find()函数是一个通用的算法它可以在任何容器中查找指定元素返回一个迭代器指向第一个匹配的元素

如果it != v.end(),则说明find()函数找到了目标元素;否则,说明没有找到目标元素。

?使用数组哈希表进行求解

class Solution {
public:
    vector<int> intersection(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2) {
        unordered_set<int>result_set;//结果哈希表
        int hash[1005] = {0};//定义数组作为哈希表
        for(int num : nums1){//遍历nums1数组,出现的数字哈希表为1
            hash[num] = 1;
        }
        for(int num : nums2){//遍历nums2数组,如果哈希表数字等于1,说明有相同数字
            if(hash[num] == 1){//插入结果集
                result_set.insert(num);
            }
        }
        return vector<int>(result_set.begin(),result_set.end());//返回结果
    }
};
  • 时间复杂度: O(m + n)
  • 空间复杂度: O(n)

两个都为这个时间复杂度和空间复杂度。

4.快乐数(202题)

?题目描述:

编写一个算法来判断一个数 n 是不是快乐数。

「快乐数」定义为:对于一个正整数,每一次将该数替换为它每个位置上的数字的平方和,然后重复这个过程直到这个数变为 1,也可能是 无限循环 但始终变不到 1。如果 可以变为? 1,那么这个数就是快乐数。

如果 n 是快乐数就返回 True ;不是,则返回 False 。

示例:

输入:19
输出:true
解释:
1^2 + 9^2 = 82
8^2 + 2^2 = 68
6^2 + 8^2 = 100
1^2 + 0^2 + 0^2 = 1

思想:首先求得每一轮的总和,定义一个接口去计算,使用哈希表unordered_set去接收这个每一轮的sum值,如果重复立即返回错,如果sum==1返回正确,否则继续将sum映射到哈希表中,更新每次需要计算的值。

class Solution {
public:
    int getSum(int n){//获取每一个位值的平方和
        int sum = 0;//定义一个变量接收
        while(n != 0){//位数操作
            sum += (n%10)*(n%10);//每个位操作进行平方操作
            n /= 10;//之后再进行取余
        }
        return sum;
    }
    bool isHappy(int n) {
        unordered_set<int>result;//定义一个哈希表接收每轮和的值
        while(1){
            int sum = getSum(n);//得到总和的值
            if(sum == 1){//如果和为1返回真
                return true;
            }
            if(result.find(sum) != result.end()){//如果查询这个和发现有一个元素相同,立即返回错
                return false;
            }else{//没有这个元素就插入哈希表中
                result.insert(sum);
            }
            n = sum;//更新新的N值
        }
    }
};
  • 时间复杂度: O(logn)
  • 空间复杂度: O(logn)

5.两数之和(1题)

?暴力解法:可以过但是时间较长,两个循环去完成,时间复杂度是O(n^2)。

class Solution {
public:
    vector<int> twoSum(vector<int>& nums, int target) {
        for(int i = 0;i<nums.size();i++){//第一个从一组数遍历
            for(int j = i+1;j<nums.size();j++){//除去第一个数之后找数如果满足提交返回
                if(nums[i]+nums[j] == target){//符合循环条件
                    return {i,j};//
                }
            }
        }
        return {};
    }
};

使用哈希表方法:本题由于需要记录第一个位置的值,需要两个参数,需要判断y存在,也要记录y的下标位置,返回两个下标,所以应该采用map数据结构,是一种键值对的存储结构,key用来保存数值,用value保存数值所在的下标。

class Solution {
public:
    vector<int> twoSum(vector<int>& nums, int target) {
        unordered_map<int, int> map;//定义一个map数据结构,存放遍历过元素,map第一个key是元素,第二个是value是下标
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {//
            auto iter = map.find(target - nums[i]);//容器的操作,查找,如果找到,返回
            if (iter != map.end()) {//找到返回迭代器的第二个参数,也就是下标,和i
                return {iter->second, i};//
            }
            map.insert(pair<int, int>(nums[i], i));//没有找到就存放到哈希表中
        }
        return {};//返回下标
    }
};
  • 时间复杂度: O(n)
  • 空间复杂度: O(n)

6.四数相加II?(454题)

题目描述:给定四个包含整数的数组列表?A , B , C , D ,计算有多少个元组 (i, j, k, l)?,使得?A[i] + B[j] + C[k] + D[l] = 0。

输入:

  • A = [ 1, 2]
  • B = [-2,-1]
  • C = [-1, 2]
  • D = [ 0, 2]

输出:2

哈希表方法:将A,B两个数组看成一个整体吧,先将两个数组进行和运算,之后和两数之和一样的,进行一个判断操作。

class Solution {
public:
    int fourSumCount(vector<int>& nums1, vector<int>& nums2, vector<int>& nums3, vector<int>& nums4) {
        unordered_map<int,int>umap;//key:是a+b的值,value:是a+b值出现的次数
        for(int a : nums1){//遍历A,B两个数组,统计两个数组元素之和以及元素和出现的次数
            for(int b : nums2){
                umap[a+b]++;
            }
        }
        int count = 0;//a+b+c+d=0出现的次数
        for(int c : nums3){//遍历C,D两个数组,如果-(c+d)在Umap中出现的次数,和两数之和的逻辑一样
            for(int d : nums4){
                if(umap.find(0 - (c+d)) != umap.end()){
                    count+=umap[0 - (c+d)];//次数
                }
            }
        }
        return count;
    }
};
  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(n^2),最坏情况下A和B的值各不相同,相加产生的数字个数为 n^2

7.赎金信(383题)

题目描述:给定一个赎金信 (ransom) 字符串和一个杂志(magazine)字符串,判断第一个字符串 ransom 能不能由第二个字符串 magazines 里面的字符构成。如果可以构成,返回 true ;否则返回 false。

你可以假设两个字符串均只含有小写字母。

canConstruct("a", "b") -> false
canConstruct("aa", "ab") -> false
canConstruct("aa", "aab") -> true

暴力实现:双循环实现

class Solution {
public:
    bool canConstruct(string ransomNote, string magazine) {
        for (int i = 0; i < magazine.length(); i++) {
            for (int j = 0; j < ransomNote.length(); j++) {
                // 在ransomNote中找到和magazine相同的字符
                if (magazine[i] == ransomNote[j]) {
                    ransomNote.erase(ransomNote.begin() + j); // ransomNote删除这个字符
                    break;
                }
            }
        }
        // 如果ransomNote为空,则说明magazine的字符可以组成ransomNote
        if (ransomNote.length() == 0) {
            return true;
        }
        return false;
    }
};
  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(1)

题目解析:不可重复使用,且小写字母,所以采用数组完成。

哈希表实现:代码逻辑和字母异位词相似,使用数组作为哈希表来完成查找操作即可实现。

class Solution {
public:
    bool canConstruct(string ransomNote, string magazine) {//代码逻辑可以参考字母异位词
        int recod[26]={0};
        for(int i = 0;i<ransomNote.size();i++){
            recod[ransomNote[i] - 'a']++;
        }
        for(int i = 0;i<magazine.size();i++){
            recod[magazine[i] - 'a']--;
        }
        for(int i = 0;i < 26;i++){
            if(recod[i]>0){//说明ransomnote中有字母在magazine中没有
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
};
  • 时间复杂度: O(n)
  • 空间复杂度: O(1)

?8.三数之和(15题)

题目描述:给你一个包含 n 个整数的数组?nums,判断?nums?中是否存在三个元素 a,b,c ,使得?a + b + c = 0 ?请你找出所有满足条件且不重复的三元组。

注意:?答案中不可以包含重复的三元组。

示例:

给定数组 nums = [-1, 0, 1, 2, -1, -4],

满足要求的三元组集合为: [ [-1, 0, 1], [-1, -1, 2] ]

哈希表解法:需要考虑去重问题,主要是对b去重这部分比较难考虑

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> threeSum(vector<int>& nums) {
        vector<vector<int>> result;
        sort(nums.begin(), nums.end());
        // 找出a + b + c = 0
        // a = nums[i], b = nums[j], c = -(a + b)
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
            // 排序之后如果第一个元素已经大于零,那么不可能凑成三元组
            if (nums[i] > 0) {
                break;
            }
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) { //三元组元素a去重
                continue;
            }
            unordered_set<int> set;
            for (int j = i + 1; j < nums.size(); j++) {
                if (j > i + 2
                        && nums[j] == nums[j-1]
                        && nums[j-1] == nums[j-2]) { // 三元组元素b去重
                    continue;
                }
                int c = 0 - (nums[i] + nums[j]);
                if (set.find(c) != set.end()) {
                    result.push_back({nums[i], nums[j], c});
                    set.erase(c);// 三元组元素c去重
                } else {
                    set.insert(nums[j]);
                }
            }
        }
        return result;
    }
};
  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(n),额外的 set 开销

双指针方法,首先将数组进行排序,对i去重,之后左右指针移动找到符合的值,之后在去重左右指针,之后再进行后面的循环语句。

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> threeSum(vector<int>& nums) {//重点在去重操作
        vector<vector<int>> result;//创建一个结果集
        sort(nums.begin(), nums.end());//对数组进行排序
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {//定义一个指针做外层遍历
            if (nums[i] > 0) {//排序按照从小到大排序,如果第一个元素大于零后面无论加什么都大于0,退出
                return result;
            }
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) {//去重i,要跟前一个i进行对比如果相等就去重,保证不能出现下标负数
                continue;
            }
            int left = i + 1;//定义内循环左右指针从i+1,和末尾开始
            int right = nums.size() - 1;
            while (right > left) {//定义循环条件
                if (nums[i] + nums[left] + nums[right] > 0) {//假设值整体大于0右指针向左移动
                    right--;
                } else if (nums[i] + nums[left] + nums[right] < 0) {//小于0左指针向右移动
                    left++;
                } else {//找到符合目标的数组,插入到结果集中,
                    result.push_back(
                        vector<int>{nums[i], nums[left], nums[right]});
                    while (right > left && nums[right] == nums[right - 1]) {//去重对右指针,和i去重一个思想
                        right--;
                    }
                    while (right > left && nums[left] == nums[left + 1]) {//去重对左指针
                        left++;
                    }
                    right--;//将左右指针向前移动
                    left++;
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

这里面对i去重有一个小细节,注:不能是nums[i]==nums[i+1],这个不是对I进行去重,而是将i与left进行对比。?还有对b,.c进行去重时,应该是在找到一个三元组之后再去去重。

  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(1)

?9.四数之和(18题)

题目描述:

给定一个包含?n 个整数的数组?nums?和一个目标值?target,判断?nums?中是否存在四个元素 a,b,c?和 d?,使得?a + b + c + d?的值与?target?相等?找出所有满足条件且不重复的四元组。

注意:

答案中不可以包含重复的四元组。

示例: 给定数组 nums = [1, 0, -1, 0, -2, 2],和 target = 0。 满足要求的四元组集合为: [ [-1, 0, 0, 1], [-2, -1, 1, 2], [-2, 0, 0, 2] ]

双指针解法:和三数之和一个套路,在三数之和在套一层循环即可,这次两个循环,确定nums[i]+nums[k]的值,再定义两个指针左右两个指针查找四个数和为target的操作,双指针方法就是将原来n^3的操作降为n^2的操作。

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> fourSum(vector<int>& nums, int target) {
        vector<vector<int>>result;
        sort(nums.begin(),nums.end());
        for(int i = 0;i < nums.size(); i++){//第一层循环
            if(i > 0 && nums[i] == nums[i-1]){//注意去重I
                continue;
            }
            for(int k = i+1;k < nums.size();k++){//第二层循环
                if(k > i+1 && nums[k] == nums[k-1]){//注意去重k
                    continue;
                }
                int left = k+1;//和三数之和做法一样,双指针操作
                int right = nums.size()-1;
                while(right > left){
                    if(nums[k] + (long)nums[i] + nums[left] + nums[right]> target){//注意强转
                        right--;
                    }else if(nums[k] + (long)nums[i] + nums[left] + nums[right]< target){
                        left++;
                    }else{
                        result.push_back(vector<int>{nums[i],nums[k],nums[left],nums[right]});
                        while(right > left && nums[right] == nums[right-1]){
                            right--;
                        }
                        while(right > left && nums[left] == nums[left+1]){
                            left++;
                        }
                        right--;
                        left++;
                    }
                }
            }
        }
        return result;
    }
};
  • 时间复杂度: O(n^3)
  • 空间复杂度: O(1)

?总结:

哈希表的理论:哈希表就是查询一个元素比较快,是否出现在一个集合里,也就是根据下标或者key来查询,理解哈希碰撞,掌握三种哈希表的形式数组,set,map数据结构,知道每个数据结构分类的每个特性,以及底层实现,和什么时候使用

有效字母异位词:在目标数据范围比较小,且数量比较大,可以优先使用数组进行哈希操作,根据小写字母个数创建哈希表来进行映射,

两个数组的交集:由于数组中存放是整数,范围比较大,且跨度较大,所以采用unorder_set哈希表进行哈希操作,无序和不重复,利用find函数来查找,!=end()则代表找到元素。

快乐数:含义是一个数的每一位的平方之和得到新的数据,如果最后得到1则是,如果出现重复则不是,转换为判断是否 出现重复数字,采用unordered_set数组接收每一次的数据然后判断是否出现重复,主要在求解每一次的和,之后思想和两个数组交集想法相同。

两数之和:这个需要返回两个数组的下标,而且不能进行排序操作,所以采用的是unordered_map哈希表进行操作,因为需要记录每个元素的下标,采用键值对的方式来记录,一定要记住key和value是什么

四数相加:这个是给定四个数组,来进行操作,同样需要下标和值,所以定义unordered_map进行操作,其实思想和字母异位词的想法差不多,每次记录两个数组的和,之后再去找目标值剩余两个数组。

赎金信:思想和字母异位词一样,数组解决了

三数之和:哈希表可做但是去重操作比较麻烦,采用双指针方法,首先需要排序,来一个for循环,需要对这for的元素进行去重操作,在定义两个指针进行操作,如果不满足条件对应的进行指针操作即可,直到满足条件将数组插入结果集,再进行指针的去重操作。
四数之和:其实和三数之和思想一样,就是需要定义两个循环去接受,使用双指针,依然进行去重个操作。

这里面三数之和很经典值得多次思考,还有两数之和,都很棒值得仔细回味。

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