代码训练LeetCode(23)随机访问元素

代码训练(23)LeetCode之随机访问元素

Author: Once Day Date: 2025年6月5日

漫漫长路，才刚刚开始...

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文章目录

- - 代码训练(23)LeetCode之随机访问元素
  - - [1. 原题](#1. 原题)
    - [2. 分析](#2. 分析)
    - [3. 代码实现](#3. 代码实现)
    - [4. 总结](#4. 总结)

1. 原题

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) 。

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。

示例 1：

yacas 复制代码

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 。

2. 分析

题目要求实现一个 RandomizedSet 类，该类包含以下方法：

RandomizedSet() - 初始化对象。
bool insert(int val) - 插入元素 val，如果元素不存在则插入并返回 true，否则返回 false。
bool remove(int val) - 移除元素 val，如果元素存在则移除并返回 true，否则返回 false。
int getRandom() - 随机返回集合中的一个元素。保证调用时集合中至少有一个元素，且每个元素有相同的被返回概率。

要求所有操作的平均时间复杂度为 O(1)。

为了满足该题目的要求，我们可以使用哈希表和数组组合的数据结构：

数组：用于存储元素，支持 O(1) 时间复杂度的随机访问。
哈希表：键为元素值，值为该元素在数组中的索引，支持 O(1) 时间复杂度的插入和删除操作。

方法实现细节：

插入 (insert):

检查哈希表中是否已存在该元素。如果存在，返回 false。
将元素添加到数组末尾，并在哈希表中记录该元素的索引。
返回 true。

删除 (remove):

检查哈希表中是否存在该元素。如果不存在，返回 false。
从数组中移除该元素，为了维持 O(1) 的复杂度，可以将数组最后一个元素移动到被删除元素的位置，并更新哈希表。
从哈希表中删除该元素，并更新数组的大小。
返回 true。

获取随机元素 (getRandom):

从数组中随机选择一个索引，然后返回该索引对应的元素。

性能优化关键点:

内存管理 ：合理分配和释放内存是关键，尤其是在 randomizedSetCreate 和 randomizedSetFree 函数中。
哈希冲突：避免哈希冲突可以提升性能，因此选择合适的哈希函数和冲突解决机制很重要。

3. 代码实现

c 复制代码

struct entry {
    int val;
    int idx;
    struct entry* next;
};

typedef struct {
    int size;                  // 当前元素数量
    int array[200000];         // 动态数组存储元素
    struct entry* map[100000]; // 哈希表存储元素到索引的映射
} RandomizedSet;

RandomizedSet* randomizedSetCreate() {
    RandomizedSet* set = malloc(sizeof(RandomizedSet));
    memset(set, 0x0, sizeof(RandomizedSet));
    srand(time(NULL)); // 初始化随机种子
    return set;
}

bool randomizedSetInsert(RandomizedSet* set, int val) {
    int key = val % 100000;
    struct entry** prev = &(set->map[key]);
    struct entry* item = set->map[key];
    while (item != NULL) {
        if (item->val == val) {
            return false;
        }
        prev = &(item->next);
        item = item->next;
    }

    item = malloc(sizeof(struct entry));
    item->val = val;
    item->next = NULL;
    item->idx = set->size;
    *prev = item;

    set->array[set->size] = val;
    set->size++;
    return true;
}

bool randomizedSetRemove(RandomizedSet* set, int val) {
    int key = val % 100000;
    struct entry** prev = &(set->map[key]);
    struct entry* item = set->map[key];
    while (item != NULL) {
        if (item->val == val) {
            break;
        }
        prev = &(item->next);
        item = item->next;
    }

    if (item == NULL) {
        return false;
    }

    *prev = item->next;
    int idx = item->idx;

    free(item);

    if (idx == set->size - 1) {
        set->size--;
        return true;
    }

    int lastElement = set->array[set->size - 1];
    set->array[idx] = lastElement; // 将最后一个元素移动到被删除元素的位置
    set->size--;

    key = lastElement % 100000;
    item = set->map[key];
    while (item != NULL) {
        if (item->val == lastElement) {
            break;
        }
        item = item->next;
    }

    item->idx = idx;

    return true;
}

int randomizedSetGetRandom(RandomizedSet* set) {
    int randomIndex = rand() % set->size;
    return set->array[randomIndex];
}

void randomizedSetFree(RandomizedSet* set) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        struct entry* item = set->map[i];
        while (item != NULL) {
            struct entry* temp = item->next;
            free(item);
            item = temp;
        }
    }

    free(set);
}

这段代码实现了一个 RandomizedSet 结构，它支持插入、删除、随机访问和销毁操作。下面分析每部分代码的功能和设计逻辑。

使用了两种数据结构：

数组 (array)：用于存储元素值，支持快速通过索引访问和随机访问。
哈希表 (map)：链地址法解决哈希冲突的哈希表，存储键为元素值，值为该元素在数组中的索引。

分配内存并初始化 RandomizedSet，其中 memset 用于初始化内存区域。

插入操作首先计算哈希键值，然后遍历链表检查元素是否已存在。如果不存在，创建新条目并加入链表和数组。

删除操作查找链表中的元素，然后从链表和数组中删除，同时更新相关元素的索引。

通过随机生成索引来从数组中获取元素。

释放哈希表中所有链表的内存以及 RandomizedSet 结构的内存。

4. 总结

这个题目主要考察数据结构的灵活应用和操作的优化。通过综合利用数组和哈希表，我们能够实现各种操作的平均 O(1) 时间复杂度。对于提升编程能力，重点是掌握各种数据结构的特点及其适用场景，以及如何根据需求选择和设计最合适的数据结构。

表和数组中删除，同时更新相关元素的索引。

通过随机生成索引来从数组中获取元素。

释放哈希表中所有链表的内存以及 RandomizedSet 结构的内存。