380. O(1) 时间插入、删除和获取随机元素-力扣（Java）

实现RandomizedSet 类：

RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
bool insert(int val) 当元素 val 不存在时，向集合中插入该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
bool remove(int val) 当元素 val 存在时，从集合中移除该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
int getRandom() 随机返回现有集合中的一项（测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素）。每个元素应该有 相同的概率 被返回。
你必须实现类的所有函数，并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1) 。

示例：

输入
[“RandomizedSet”, “insert”, “remove”, “insert”, “getRandom”, “remove”, “insert”, “getRandom”]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]

解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ，表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ，返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中，所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字，getRandom 总是返回 2 。

提示：

-231 <= val <= 231 - 1
最多调用 insert、remove 和 getRandom 函数 2 * 105 次
在调用 getRandom 方法时，数据结构中 至少存在一个 元素。

解答（答案源自官方）

public class RandomizedSet {
    private List<Integer> list;
    private Map<Integer, Integer> map;
    private Random random;

    public RandomizedSet() {
        map = new HashMap<>();
        list = new ArrayList<>();
    }

    public boolean insert(int val) {
        if(map.containsKey(val)){
         return false;
        }
        int index = list.size();
        list.add(val);
        //将val值以key的形式保存，这样的目的为以O（1）的速度进行对下标index的查询，用于对map进行containskey操作
        map.put(val,index);
        return true;
    }

    public boolean remove(int val) {
        if(map.containsKey(val)){
          //对arraylist的删除操作，需要将所有元素进行遍历，左移一位，这会极大影响执行效率，故此处直接将最后一位的元素覆盖到所要删除的位置上，然后将arraylist的最后一位进行删除，时间复杂度恒为O(1)
            int index = map.get(val);
            int last = list.get(list.size()-1);
            list.set(index,last);
            map.put(last,index);
            list.remove(list.size()-1);
            map.remove(val);
            return true;
        }
        return false;
    }

    public int getRandom() {
        int randomNum = random.nextInt(list.size());
        return list.get(randomNum);
    }

}

变长数组可以在 O(1) 的时间内完成获取随机元素操作，但是由于无法在 O(1) 的时间内判断元素是否存在，因此不能在O(1)
的时间内完成插入和删除操作。哈希表可以在O(1) 的时间内完成插入和删除操作，但是由于无法根据下标定位到特定元素，因此不能在O(1)
的时间内完成获取随机元素操作。为了满足插入、删除和获取随机元素操作的时间复杂度都是
O(1)，需要将变长数组和哈希表结合，变长数组中存储元素，哈希表中存储每个元素在变长数组中的下标。