【每日算法】LeetCode 84. 柱状图中最大的矩形

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LeetCode 84. 柱状图中最大的矩形:从暴力到单调栈的优雅解法

1. 题目描述

LeetCode 84题"柱状图中最大的矩形"要求:给定一个整数数组 heights,表示柱状图中各个柱子的高度,每个柱子的宽度为1,且彼此相邻。需要找出该柱状图中能够勾勒出的最大矩形的面积。

示例

输入:heights = [2,1,5,6,2,3]

输出:10

解释:最大矩形面积为10,对应高度为5的柱子,宽度为2(即从索引2到3的柱子,但实际计算以高度5向左右延伸)。

约束条件

  • 1 <= heights.length <= 10^5
  • 0 <= heights[i] <= 10^4

2. 问题分析

该问题的核心在于:对于每个柱子,以其高度作为矩形高度时,矩形的最大宽度由其左右两侧第一个比它矮的柱子决定。因此,最大矩形面积可通过遍历每个柱子,计算以该柱子高度为高的最大矩形面积,并取全局最大值得到。

关键转换

  • 对于柱子 i,高度为 h[i],向左找到第一个高度小于 h[i] 的索引 left,向右找到第一个高度小于 h[i] 的索引 right
  • 此时,矩形宽度为 right - left - 1,面积为 h[i] * (right - left - 1)
  • 遍历所有 i,计算最大面积。

这本质上是寻找每个柱子的"左右边界",类似前端中计算元素在布局中的扩展范围。

3. 解题思路

3.1 暴力解法(朴素扩展)

对于每个柱子,向左右两侧扩展,直到遇到高度更小的柱子,计算面积。该方法直观但效率低。

  • 时间复杂度:O(n²),其中n为柱子数量。
  • 空间复杂度:O(1)。
  • 优点:简单易懂,适合小数据量。
  • 缺点:在大数据量(如n=10⁵)时超时,不适合生产环境。

3.2 单调栈解法(最优)

利用单调递增栈(Monotonic Stack)在一次遍历中高效找到每个柱子的左右边界。栈中存储柱子索引,保持高度单调递增,当遇到更矮柱子时弹出栈顶并计算面积。

  • 时间复杂度:O(n),每个柱子入栈和出栈一次。
  • 空间复杂度:O(n),用于栈存储。
  • 优点:高效,适用于大规模数据,是面试和工程中的标准解法。
  • 缺点:代码逻辑稍复杂,需要理解栈的操作。

为什么单调栈有效

维护递增栈确保栈中每个柱子的左边界是栈中前一个索引(或哨兵),右边界是当前遍历到的索引。通过添加哨兵(如高度0)处理边界情况,简化代码。

4. 代码实现

以下使用JavaScript实现,作为前端开发者熟悉的语言。

4.1 暴力解法代码

javascript 复制代码
function largestRectangleArea(heights) {
    let maxArea = 0;
    const n = heights.length;
    for (let i = 0; i < n; i++) {
        let left = i;
        // 向左扩展找到第一个比当前矮的柱子
        while (left >= 0 && heights[left] >= heights[i]) {
            left--;
        }
        let right = i;
        // 向右扩展找到第一个比当前矮的柱子
        while (right < n && heights[right] >= heights[i]) {
            right++;
        }
        const width = right - left - 1;
        maxArea = Math.max(maxArea, heights[i] * width);
    }
    return maxArea;
}

4.2 单调栈解法代码(最优)

javascript 复制代码
function largestRectangleArea(heights) {
    let maxArea = 0;
    const stack = []; // 单调递增栈,存储索引
    // 添加哨兵:开头和末尾添加高度0,简化边界处理
    heights = [0, ...heights, 0];
    for (let i = 0; i < heights.length; i++) {
        // 当当前高度小于栈顶高度时,弹出栈顶并计算面积
        while (stack.length && heights[stack[stack.length - 1]] > heights[i]) {
            const h = heights[stack.pop()]; // 弹出高度
            const left = stack[stack.length - 1]; // 左边界是栈中下一个索引
            const width = i - left - 1;
            maxArea = Math.max(maxArea, h * width);
        }
        stack.push(i); // 将当前索引入栈
    }
    return maxArea;
}

代码解释

  • 哨兵 0 确保栈能清空并计算所有可能矩形。
    • 哨兵0在这里起到两个关键作用:
      • 左哨兵(开头的0):
        • 保证栈永远不会为空
        • 为最左边的柱子提供左边界(索引0)
        • 高度为0确保不会影响最大面积计算
      • 右哨兵(结尾的0):
        • 保证遍历结束后栈中所有柱子都会被弹出计算
        • 作为所有柱子的右边界
        • 高度为0确保一定会触发所有剩余柱子的面积计算
  • 栈维护递增高度索引,弹出时计算以弹出高度为高的矩形面积。
  • 此方法只需一次遍历,效率极高。

5. 各实现思路的复杂度、优缺点对比表格

方法 时间复杂度 空间复杂度 优点 缺点
暴力解法 O(n²) O(1) 实现简单,易于理解;适合小规模数据或快速原型。 效率低,在数据量大时(如n=10⁵)会超时;不适用于生产环境。
单调栈解法 O(n) O(n) 高效,一次遍历解决;适合大规模数据处理;是面试和工程中的标准解。 代码逻辑稍复杂;需要额外空间存储栈;但实际中空间可接受。

对比总结:单调栈在时间和空间上达到平衡,是解决此类边界查找问题的最佳实践。

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