【刷题笔记】之滑动窗口(长度最小的子数组、水果成篮、最小的覆盖子串)

滑动窗口模板

//滑动窗口模板:注意使用滑动窗口方法,使用一个 for(while) 循环中的变量是用来控制终止位置的

//最小滑窗:给定数组 nums,定义滑动窗口的左右边界 i、j,求满足某个条件的滑窗的最小长度
for(j = 0; j < nums.length; ++j) {
	不断的添加值到题中要求的结果集中(比如 sum)
	while(满足条件) {
		更新求最小长度 result = Math.min(result,j-i+1);
		不断更新结果集(比如 sum)
		i++; // 缩小左边界
	}
}

//最大滑窗:给定数组 nums,定义滑窗的左右边界 i、j,求满足某个条件的滑窗的最大长度
for(j = 0; j < nums.length; ++j) {
	不断的添加值到题中要求的结果集中(比如 sum)
	while(不满足条件) {
		i++; // 缩小左边界
		不断更新结果集(比如 sum)
	}
	// 走到这里条件满足,更新最小长度,继续 for 循环
	更新求最小长度 result = Math.min(result,j-i+1);
}

1. 长度最小的子数组

题目链接:209. 长度最小的子数组 - 力扣(LeetCode)

给定一个含有 n 个正整数的数组和一个正整数 target 。

找出该数组中满足其和 ≥ target 的长度最小的 连续子数组 [numsl, numsl+1, ..., numsr-1, numsr] ,并返回其长度。如果不存在符合条件的子数组,返回 0 。

示例 1:

输入:target = 7, nums = [2,3,1,2,4,3]
输出:2
解释:子数组 [4,3] 是该条件下的长度最小的子数组。

示例 2:

输入:target = 4, nums = [1,4,4]
输出:1

示例 3:

输入:target = 11, nums = [1,1,1,1,1,1,1,1]
输出:0

提示:

1 <= target <= 109

1 <= nums.length <= 105

1 <= nums[i] <= 105

进阶:

如果你已经实现 O(n) 时间复杂度的解法, 请尝试设计一个 O(n log(n)) 时间复杂度的解法。

思想:

滑动窗口就是不断的调节子序列的起始位置和终止位置,从而得出想要的结果

使用暴力解法,是一个 for 循环滑动窗口的起始位置,一个 for 循环为滑动窗口的终止位置,用两个 for 循环完成一个不断搜索区间的过程。

而滑动窗口是用一个 for 循环来完成这个操作,并且这个 for 表示的应该是终止位置

因为,如果这个 for 表示的是起始位置,那么如何遍历剩下的终止位置呢,到最后还是又回到了暴力解法

所以 滑动窗口,使用一个 for 循环来表示滑动窗口的终止位置

使用滑动窗口需要确定三点:

窗口内是什么?
窗口就是满足 sum >= targe 长度的最小的连续子数组
如何移动窗口的起始位置
起始位置就是 如果当前窗口的值大于 targe,窗口就要向前移动了(缩小范围)
如何移动窗口的结束位置
结束位置就是 for 循环中的索引

滑动窗口的优点在于能够根据当前子序列和大小的情况,不断调节子序列的起始位置,在这道题中也就是满足sum >= target 时起始位置就要开始移动,从而将 O(n^2) 暴力解法时间复杂度降为 O(n)

滑动窗口

    // 209
    public int minSubArrayLen(int target, int[] nums) {
        int i = 0; //左
        int result = Integer.MAX_VALUE;
        int sum = 0;
        for (int j = 0; j < nums.length; j++) { // 右
            sum += nums[j];
            while(sum >= target) { // while 循环找到满足要求且元素个数最小的
                result = Math.min(result,j-i+1);
                sum -= nums[i++];
            }
        }
        return result == Integer.MAX_VALUE ? 0 : result;
    }

2. 水果成篮

题目链接:904. 水果成篮 - 力扣(LeetCode)

你正在探访一家农场,农场从左到右种植了一排果树。这些树用一个整数数组 fruits 表示,其中 fruits[i] 是第 i 棵树上的水果 种类 。

你想要尽可能多地收集水果。然而,农场的主人设定了一些严格的规矩,你必须按照要求采摘水果:

你只有 两个 篮子,并且每个篮子只能装 单一类型 的水果。每个篮子能够装的水果总量没有限制。

你可以选择任意一棵树开始采摘,你必须从 每棵 树(包括开始采摘的树)上 恰好摘一个水果 。采摘的水果应当符合篮子中的水果类型。每采摘一次,你将会向右移动到下一棵树,并继续采摘。

一旦你走到某棵树前,但水果不符合篮子的水果类型,那么就必须停止采摘。

给你一个整数数组 fruits ,返回你可以收集的水果的 最大 数目。

示例 1:

输入:fruits = [1,2,1]
输出:3
解释:可以采摘全部 3 棵树。

示例 2:

输入:fruits = [0,1,2,2]
输出:3
解释:可以采摘 [1,2,2] 这三棵树。
如果从第一棵树开始采摘,则只能采摘 [0,1] 这两棵树。

示例 3:

输入:fruits = [1,2,3,2,2]
输出:4
解释:可以采摘 [2,3,2,2] 这四棵树。
如果从第一棵树开始采摘,则只能采摘 [1,2] 这两棵树。

示例 4:

输入:fruits = [3,3,3,1,2,1,1,2,3,3,4]
输出:5
解释:可以采摘 [1,2,1,1,2] 这五棵树。

提示:

1 <= fruits.length <= 105

0 <= fruits[i] < fruits.length

思想:

在上一题长度最小的子数组中是要求满足条件的子数组的最小长度,用滑动窗口的方法来说,就是最小滑窗是在迭代右移左边界的过程中更新结果。

而本道题水果成篮是要求满足条件情况下收集水果的最大数目,也就是要在迭代右移右边界的过程中更新结果

利用 left 和 right 分别表示窗口的左右边界,同时利用哈希表来存储这个窗口内的数以及出现的次数,一个 for 循环控制的就是终止位置也就是右边界,右移一个位置,并且将 fruits[right] 加入到哈希表中,如果 哈希表大小大于2(也就是水果的种类),那就移动 left 将 fruits[left] 从哈希表中移除,直到满足要求,并且当 fruits[left] 在哈希表中出现的次数减少为0,那就将 key 移除

代码:

public int totalFruit(int[] fruits) {
    int n = fruits.length;
    Map<Integer,Integer> cnt = new HashMap<>();
    int left = 0, ans = 0;
    for(int right = 0; right < n; ++ right) {
        // 每次添加一个水果计数
        cnt.put(fruits[right],cnt.getOrDefault(fruits[right],0) + 1);
        // 如果添加新水果后,不止两种,就从前往后逐渐丢弃水果
        while(cnt.size() > 2) {
            int pre = fruits[left++];
            cnt.put(pre,cnt.get(pre) - 1);
            // 如果这种水果被全部丢弃,就从 map 中删除
            if(cnt.get(pre) == 0) {
                cnt.remove(pre);
            }
        }
        // 计算一下当前区域的长度
        ans = Math.max(ans,right-left+1);
    }
    return ans;
}

3. 最小的覆盖子串

题目链接:76. 最小覆盖子串 - 力扣(LeetCode)

给你一个字符串 s 、一个字符串 t 。返回 s 中涵盖 t 所有字符的最小子串。如果 s 中不存在涵盖 t 所有字符的子串,则返回空字符串 "" 。

注意:

  • 对于 t 中重复字符,我们寻找的子字符串中该字符数量必须不少于 t 中该字符数量。

  • 如果 s 中存在这样的子串,我们保证它是唯一的答案。

示例 1:

输入:s = "ADOBECODEBANC", t = "ABC"
输出:"BANC"
解释:最小覆盖子串 "BANC" 包含来自字符串 t 的 'A'、'B' 和 'C'。

示例 2:

输入:s = "a", t = "a"
输出:"a"
解释:整个字符串 s 是最小覆盖子串。

示例 3:

输入: s = "a", t = "aa"
输出: ""
解释: t 中两个字符 'a' 均应包含在 s 的子串中,
因此没有符合条件的子字符串,返回空字符串。

提示:

  • m == s.length

  • n == t.length

  • 1 <= m, n <= 105

  • s 和 t 由英文字母组成

**进阶:**你能设计一个在 o(m+n) 时间内解决此问题的算法吗?

思想:

还是按滑动窗口的思路来做

  1. 不断增加 j 使滑动窗口增大,直到窗口包含了 T 中所有元素

  1. 不断增加 i 使用滑动窗口缩小,因为是要求最小子串,所以要将不必要的元素排除在外,使用长度减小,直到遇到一个必须包含的元素,那么此时就记录这个滑动窗口的长度,并且保存最小值(也就是保存左边界,然后可以根据长度计算右边界,从而可以返回子串)

  1. 让 i 再向右移动一个位置,那么这个时候滑动窗口肯定是不满足条件的,就重新从步骤1 开始执行,寻找新的满足条件的滑动窗口

判断滑动窗口中包含了 T 的所有元素

这里可以用一个字典 need 也就是数组来表示滑动窗口中需要的各个元素的数量,int[] need = new int[128] 这个数组大小设为 128 是因为 ascii 中有 128 个字符,比如 need[76] = 2,表示 ascii 为 76 的这个字符,在字符串中需要两个,比如 need[76] = -2,表示 ascii 为 76 的这个字符,在字符串中多余两个。

先把用 T 把 need 数组初始化,表示现在need[X] = ? 需要这些元素,下面就是通过滑动窗口来修改need 数组中的元素,当滑动窗口中包含某个元素,就让 need 元素减1,代表需要的元素减1,当滑动窗口移除某个元素,就让 need 中元素的数量加1,这样做的目的就是为了步骤2中的 排除不必要元素,数量为负表示不必要元素,数量为 0 表示刚刚好

need 数组中记录着当前滑动窗口中,需要的元素数量,这个动态修改是靠滑动窗口的移动来维护的

总之,如何判断滑动窗口中包含了 T 的所有元素,这是根据 need 中所有元素的数量都小于或等于 0 时,表示当前滑动窗口不需要任何元素

但是还有个细节,每次判断滑动窗口是否包含 T 的所有元素,都是去判断 need 所有元素数量都小于等于0,这样还是要遍历 need 的,这个是要耗费时间的,所以可以**定义一个变量 needCnt 来记录当前需要元素的总数量,**当遇到所需元素 c,那 need[c] 就减1,同时 needCnt 也减1,这样就不用每次都来遍历 need 数组了,只需要看 needCnt 就行

代码:

public String minWindow(String s, String t) {
    // need 数组表示每个字符在 t 中需要的数量
    // need[76]=2 表示 ascii为76的字符在目标字符串中需要两个
    int[] need = new int[128];
    // 用 t 来初始化 need 【初始状态】
    for(int i = 0; i < t.length(); i++) {
        need[t.charAt(i)]++;
    }
    /*
    left/right: 窗口左右边界
    size: 表示窗口的长度
    needCnt: 表示当前所需字符的总数,起始大小为 t 的长度
    start:表示有效窗口的起始位置,可以根据size,来求子串区间范围
     */
    int left = 0, size = Integer.MAX_VALUE, needCnt = t.length(), start = 0;
    for(int right = 0; right < s.length(); right++) {
        char c = s.charAt(right);
        // 【步骤一】
        // 如果当前这个字符 c 在 t 中存在那么 need 中对应位置应该是大于 0
        if(need[c] > 0) {
            needCnt--;  // 找到一个元素了,所需字符总数-1
        }
        // 不论这个字符是否在 t 中都要 -1.
        need[c]--;
        if(needCnt == 0) {
            // 【步骤二】
            // 缩小左边界,去除无用的元素
            while(left < right && need[s.charAt(left)] < 0) {
                need[s.charAt(left)]++;
                left++;
            }
            // 更新窗口的长度
            if(right - left + 1 < size) {
                size = right - left + 1;
                start = left;
            }
            // 【步骤三】
            need[s.charAt(left)]++;
            left++;
            needCnt++;
        }
    }
    return size == Integer.MAX_VALUE ? "" : s.substring(start,start+size);
}

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