题目要求:给定一个整数 n,表示有 n 对括号,生成所有由这 n 对括号组成的、合法的括号字符串。合法的定义是:任意前缀中,左括号数量都不少于右括号数量,且最后左右括号数量相等。geeksforgeeks
例子(n = 3)可能的输出之一为:"((()))", "(()())", "(())()", "()(())", "()()()"。balysnotes
思路一:用 DFS / 回溯生成所有合法序列
这个问题非常典型:"生成所有满足某些约束的序列" → DFS + 回溯 + 剪枝。dev
核心想法是:从空串开始,每一步可以选择加 "(" 或 ")",但要保证任何时候都不违反"括号合法"的约束。用两个计数变量来做状态:
- open:当前已经放了多少个左括号 "("
- close:当前已经放了多少个右括号 ")"
约束规则:
- 左括号数量不能超过 n:
open < n时才允许继续加 "("。algo - 右括号数量不能超过左括号数量:
close < open时才允许加 ")",否则会出现前缀不合法。algo - 当
open == n且close == n时,说明构造出一个长度为2 * n的合法字符串,可以加入答案。hellointerview
固定顺序 DFS 的伪代码
先给一个常规、不随机的 DFS 伪代码,它每一层都是"先尝试加左括号,再尝试加右括号":designgurus
text
function generateParenthesis(n):
result = []
function dfs(open, close, path):
# 如果左右括号都用完了,收集结果
if open == n and close == n:
result.append(path)
return
# 尝试加左括号 "("
if open < n:
dfs(open + 1, close, path + "(")
# 尝试加右括号 ")"
# 只有当 close < open 时才合法
if close < open:
dfs(open, close + 1, path + ")")
dfs(0, 0, "")
return result
这段代码的关键点:
path是到当前为止构造出来的字符串。- 递归树是一棵"决策树":每一层的决策是"加 ( 还是加 )"。
- 通过
open < n和close < open这两个条件,把所有不合法路径直接剪掉了,只枚举合法前缀,所以叶子节点自然就是一整串合法括号。hellointerview
为什么固定顺序也能产生不同形状的括号串?
很多人一开始会有疑问:
明明每次都是"先试 ( 再试 )",怎么最后还能得到像
((()))、(()())、()()()这么不同的形状?
关键点在于:DFS 是在一棵决策树上"沿一条路走到底,然后回溯回来,换另一条路再走到底" 。algo
以 n = 3 为例,按照上面的伪代码:
- 一开始从
""出发 - 先加
(→"(" - 再加
(→"((" - 再加
(→"(((" - 此时
open == 3不能再加左,只能一路加右:"((()"->"((())"->"((()))" - 得到第一条结果
"((()))"。 - 这条路径走完之后,递归会"退栈",回溯到上一个分叉点,比如从
"((()))"回到"((()"-> 再回到"((")。 - 在
"(("这个状态下,这次不再继续加左括号(因为那条路已经探索完了),而是去尝试"加右括号"的分支,走出"(()"、"(())"、"(())()"等路径。 - 继续回溯到
"(",从"("出发的所有以(开头的合法组合都被生成完后,再回溯回"",尝试"根节点加右括号"这条路,但这条路一开始就不合法(右括号多于左括号),马上被剪枝,最终不会出现在结果里。
所以:
- 每一条从根到叶的路径,就是一个不同的"加括号顺序"。
- 虽然在每个节点都是"先试 ( 再试 )",但在不同节点试 ) 的时机不同,自然组合出了
((()))、(()())、(())()、()(())、()()()这几种完全不同的括号形状。finalroundai
换句话说:固定顺序 DFS 不是"只生成一种模式",而是按照固定的拓扑顺序,把整棵决策树里所有合法路径、一条一条地枚举了出来。
和显式栈思路的对应关系
一开始的直觉可能是:
写个栈,遇到
(入栈,遇到)出栈,保证栈不为负,就能保证合法。
DFS 计数法其实就是把"栈高度"隐式存到 open - close 里:
- 每次加
(,相当于高度 +1,也就是open++。 - 每次加
),相当于高度 -1,也就是close++。 - 条件
close < open等价于"当前栈高度 > 0 时才能出栈"。dev
如果偏爱显式栈,也可以这样写伪代码(思路是一样的):
text
function generateParenthesisWithStack(n):
result = []
stack = [] # 用来构造当前字符串
function dfs(open, close):
if open == n and close == n:
result.append(stack.join_as_string())
return
if open < n:
stack.push("(")
dfs(open + 1, close)
stack.pop() # 回溯
if close < open:
stack.push(")")
dfs(open, close + 1)
stack.pop() # 回溯
dfs(0, 0)
return result
这里的 stack 实际上只是保存当前路径上的字符,真正的"合法性判断"仍然是通过 open 和 close 这两个计数来做的。balysnotes
想要"顺序随机"的做法
题目本身不要求结果顺序,所以通常不需要"随机化",但如果想练习,也可以在每一层把"尝试加 ( / ) 的顺序打乱一下。sparkcodehub
核心改动就是:
- 把当前能选的操作收集到一个数组里;
- 对这个数组做一次
shuffle; - 然后按打乱后的顺序去 DFS。
伪代码示意:
text
function generateParenthesisRandom(n):
result = []
function dfs(open, close, path):
if open == n and close == n:
result.append(path)
return
choices = []
if open < n:
choices.append("(")
if close < open:
choices.append(")")
shuffle(choices) # 打乱次序
for ch in choices:
if ch == "(":
dfs(open + 1, close, path + "(")
else:
dfs(open, close + 1, path + ")")
dfs(0, 0, "")
return result
这样,每次运行时,生成的集合相同,但输出顺序可能不同,有时先看到 ((())),有时先看到 ()()(),纯属遍历顺序的差异。sparkcodehub