数据结构与算法 - 双指针

一、移动零

给定一个数组 nums，编写一个函数将所有 0 移动到数组的末尾，同时保持非零元素的相对顺序。

请注意 ，必须在不复制数组的情况下原地对数组进行操作。

示例 1:

复制代码

输入: nums = [0,1,0,3,12]

输出: [1,3,12,0,0]

示例 2:

复制代码

输入: nums = [0]

输出: [0]

提示:

1 <= nums.length <= 10^4
-2^31 <= nums[i] <= 2^31 - 1

**进阶：**你能尽量减少完成的操作次数吗？

解法一：双指针法

在循环中，右指针right向右移动，如果当前元素不为0，则将其与左指针指向的元素交换，并且左指针向右移动。

java 复制代码

class Solution {
    public void moveZeroes(int[] nums) {
        int i = 0, j = 0;
        while(j < nums.length) {
            if(nums[j] != 0) {
                // 如果当前元素不为0，则将其与左指针指向的元素交换，并且左指针向右移动
                int t = nums[i];
                nums[i] = nums[j];
                nums[j] = t;
                i++;
            }
            j++;
        }
    }
}

二、两数之和Ⅱ - 输入有序数组

给你一个下标从 1 开始的整数数组 numbers ，该数组已按非递减顺序排列 ，请你从数组中找出满足相加之和等于目标数 target 的两个数。如果设这两个数分别是 numbers[index1] 和 numbers[index2] ，则 1 <= index1 < index2 <= numbers.length 。

以长度为 2 的整数数组 [index1, index2] 的形式返回这两个整数的下标 index1和index2。

你可以假设每个输入 只对应唯一的答案 ，而且你 不可以 重复使用相同的元素。

你所设计的解决方案必须只使用常量级的额外空间。

示例 1：

复制代码

输入：numbers = [2,7,11,15], target = 9
输出：[1,2]
解释：2 与 7 之和等于目标数 9 。因此 index1 = 1, index2 = 2 。返回 [1, 2] 。

示例 2：

复制代码

输入：numbers = [2,3,4], target = 6
输出：[1,3]
解释：2 与 4 之和等于目标数 6 。因此 index1 = 1, index2 = 3 。返回 [1, 3] 。

示例 3：

复制代码

输入：numbers = [-1,0], target = -1
输出：[1,2]
解释：-1 与 0 之和等于目标数 -1 。因此 index1 = 1, index2 = 2 。返回 [1, 2] 。

提示：

2 <= numbers.length <= 3 * 10^4
-1000 <= numbers[i] <= 1000
numbers 按 非递减顺序 排列
-1000 <= target <= 1000
仅存在一个有效答案

解法一：双指针法。执行耗时1ms

java 复制代码

class Solution {
    public int[] twoSum(int[] numbers, int target) {
        int i = 0, j = numbers.length - 1;

        while (i < j) {
            int sum = numbers[i] + numbers[j];
            if (sum == target) {
                return new int[] { i + 1, j + 1 };
            } else if (sum < target) {
                i++;
            } else {
                j--;
            }
        }

        return new int[] {};
    }
}

三、三数之和

给你一个整数数组 nums ，判断是否存在三元组 [nums[i], nums[j], nums[k]] 满足 i != j、i != k 且 j != k ，同时还满足 nums[i] + nums[j] + nums[k] == 0 。请你返回所有和为 0 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 1：

复制代码

输入：nums = [-1,0,1,2,-1,-4]
输出：[[-1,-1,2],[-1,0,1]]
解释：
nums[0] + nums[1] + nums[2] = (-1) + 0 + 1 = 0 。
nums[1] + nums[2] + nums[4] = 0 + 1 + (-1) = 0 。
nums[0] + nums[3] + nums[4] = (-1) + 2 + (-1) = 0 。
不同的三元组是 [-1,0,1] 和 [-1,-1,2] 。
注意，输出的顺序和三元组的顺序并不重要。

示例 2：

复制代码

输入：nums = [0,1,1]
输出：[]
解释：唯一可能的三元组和不为 0 。

示例 3：

复制代码

输入：nums = [0,0,0]
输出：[[0,0,0]]
解释：唯一可能的三元组和为 0 。

提示：

3 <= nums.length <= 3000
-105 <= nums[i] <= 105

解法一：由三数之和转变为两数之和

java 复制代码

class Solution {
    public List<List<Integer>> threeSum(int[] nums) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        Arrays.sort(nums);

        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            // 跳过重复元素
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) {
                continue;
            }

            // 变为两数之和
            int target = -nums[i];
            int left = i + 1;
            int right = nums.length - 1;

            while (left < right) {
                int sum = nums[left] + nums[right];
                if (sum < target) {
                    left++;
                } else if (sum > target) {
                    right--;
                } else {
                    List<Integer> triplet = new ArrayList<>();
                    triplet.add(nums[i]);
                    triplet.add(nums[left]);
                    triplet.add(nums[right]);
                    result.add(triplet);

                    // 跳过重复的元素
                    while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) {
                        left++;
                    }
                    while (left < right && nums[right] == nums[right - 1]) {
                        right--;
                    }
                    left++;
                    right--;
                }
            }
        }

        return result;
    }
}

或：

java 复制代码

class Solution {
    public List<List<Integer>> threeSum(int[] nums) {
        Arrays.sort(nums);
        List<List<Integer>> result = new LinkedList<>();
        dfs(3, 0, nums.length - 1, 0, nums,
                new LinkedList<>(), result);
        return result;
    }

    static void dfs(int n, int i, int j, int target, int[] nums,
            LinkedList<Integer> stack,
            List<List<Integer>> result) {
        if (n == 2) {
            // 套用两数之和求解
            twoSum(i, j, nums, target, stack, result);
            return;
        }
        for (int k = i; k < j - (n - 2); k++) {
            // 检查重复
            if (k > i && nums[k] == nums[k - 1]) {
                continue;
            }
            // 固定一个数字，再尝试 n-1 数字之和
            stack.push(nums[k]);
            dfs(n - 1, k + 1, j, target - nums[k], nums, stack, result);
            stack.pop();
        }
    }

    static int count;

    static public void twoSum(int i, int j, int[] numbers, int target,
            LinkedList<Integer> stack,
            List<List<Integer>> result) {
        count++;
        while (i < j) {
            int sum = numbers[i] + numbers[j];
            if (sum < target) {
                i++;
            } else if (sum > target) {
                j--;
            } else { // 找到解
                ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(stack);
                list.add(numbers[i]);
                list.add(numbers[j]);
                result.add(list);
                // 继续查找其它的解
                i++;
                j--;
                while (i < j && numbers[i] == numbers[i - 1]) {
                    i++;
                }
                while (i < j && numbers[j] == numbers[j + 1]) {
                    j--;
                }
            }
        }
    }
}

四、四数之和

给你一个由 n 个整数组成的数组 nums ，和一个目标值 target 。请你找出并返回满足下述全部条件且不重复 的四元组 [nums[a], nums[b], nums[c], nums[d]] （若两个四元组元素一一对应，则认为两个四元组重复）：

0 <= a, b, c, d < n
a、b、c 和 d 互不相同
nums[a] + nums[b] + nums[c] + nums[d] == target

你可以按 任意顺序 返回答案。

示例 1：

复制代码

输入：nums = [1,0,-1,0,-2,2], target = 0
输出：[[-2,-1,1,2],[-2,0,0,2],[-1,0,0,1]]

示例 2：

复制代码

输入：nums = [2,2,2,2,2], target = 8
输出：[[2,2,2,2]]

提示：

1 <= nums.length <= 200
-109 <= nums[i] <= 109
-109 <= target <= 109

解法一：双指针法

java 复制代码

class Solution {
    public List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        int n = nums.length;
        if (n < 4) {
            return result;
        }

        Arrays.sort(nums);

        for (int i = 0; i < n - 3; i++) {
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) {
                // 处理重复元素
                continue;
            }

            for (int j = i + 1; j < n - 2; j++) {
                if (j > i + 1 && nums[j] == nums[j - 1]) {
                    continue;
                }

                int left = j + 1;
                int right = n - 1;

                while (left < right) {
                    long sum = (long) nums[i] + nums[j] + nums[left] + nums[right];
                    if (sum < target) {
                        left++;
                    } else if (sum > target) {
                        right--;
                    } else {
                        List<Integer> quadruplet = new ArrayList<>();
                        quadruplet.add(nums[i]);
                        quadruplet.add(nums[j]);
                        quadruplet.add(nums[left]);
                        quadruplet.add(nums[right]);
                        result.add(quadruplet);

                        // 处理重复元素
                        while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) {
                            left++;
                        }
                        while (left < right && nums[right] == nums[right - 1]) {
                            right--;
                        }
                        left++;
                        right--;
                    }
                }
            }
        }

        return result;
    }
}

五、盛最多水的容器

给定一个长度为 n 的整数数组 height 。有 n 条垂线，第 i 条线的两个端点是 (i, 0) 和 (i, height[i]) 。

找出其中的两条线，使得它们与 x 轴共同构成的容器可以容纳最多的水。

返回容器可以储存的最大水量。

**说明：**你不能倾斜容器。

示例 1：

复制代码

输入：[1,8,6,2,5,4,8,3,7]
输出：49 
解释：图中垂直线代表输入数组 [1,8,6,2,5,4,8,3,7]。在此情况下，容器能够容纳水（表示为蓝色部分）的最大值为 49。

示例 2：

复制代码

输入：height = [1,1]
输出：1

提示：

n == height.length
2 <= n <= 10^5
0 <= height[i] <= 10^4

解法一：双指针法

java 复制代码

class Solution {
    public int maxArea(int[] height) {
        int left = 0, right = height.length - 1;
        int result = 0;

        while (left < right) {
            result = Math.max(result, (right - left) * Math.min(height[left], height[right]));
            if (height[left] > height[right]) {
                --right;
            } else {
                ++left;
            }
        }
        return result;
    }
}

六、反转字符数组

编写一个函数，其作用是将输入的字符串反转过来。输入字符串以字符数组 s 的形式给出。

不要给另外的数组分配额外的空间，你必须**原地修改输入数组**、使用 O(1) 的额外空间解决这一问题。

示例 1：

复制代码

输入：s = ["h","e","l","l","o"]
输出：["o","l","l","e","h"]

示例 2：

复制代码

输入：s = ["H","a","n","n","a","h"]
输出：["h","a","n","n","a","H"]

提示：

1 <= s.length <= 10^5
s[i] 都是 ASCII 码表中的可打印字符

解法一：双指针法

java 复制代码

class Solution {
    public void reverseString(char[] s) {
        int i = 0, j = s.length - 1;
        while (i < j) {
            swap(s, i, j);
            i++;
            j--;
        }
    }

    private void swap(char[] s, int i, int j) {
        char t = s[i];
        s[i] = s[j];
        s[j] = t;
    }
}

七、反转字符串Ⅱ

给定一个字符串 s 和一个整数 k，从字符串开头算起，每计数至 2k 个字符，就反转这 2k 字符中的前 k 个字符。

如果剩余字符少于 k 个，则将剩余字符全部反转。
如果剩余字符小于 2k 但大于或等于 k 个，则反转前 k 个字符，其余字符保持原样。

示例 1：

复制代码

输入：s = "abcdefg", k = 2
输出："bacdfeg"

示例 2：

复制代码

输入：s = "abcd", k = 2
输出："bacd"

提示：

1 <= s.length <= 10^4
s 仅由小写英文组成
1 <= k <= 10^4

解法一：双指针法

java 复制代码

class Solution {
    public String reverseStr(String s, int k) {
        int n = s.length();
        char[] chars = s.toCharArray();

        for (int i = 0; i < n; i += 2 * k) {
            // 只反转前k个字符
            int start = i;
            int end = Math.min(i + k - 1, n - 1);

            while (start < end) {
                swap(chars, start, end);
                start++;
                end--;
            }
        }

        return new String(chars);
    }

    private void swap(char[] s, int i, int j) {
        char t = s[i];
        s[i] = s[j];
        s[j] = t;
    }
}