算法14,滑动窗口,找到字符串中所有字母异位词

从您上传的图片中,我看到核心内容是滑动窗口算法在字符串问题中的应用 ,具体问题是**"找到字符串中所有字母异位词"**。以下是针对该问题的完整解析和答案:


问题描述

给定两个字符串 s和 p,在 s中找到所有是 p的字母异位词的子串,返回这些子串的起始索引(顺序任意)。

  • 字母异位词 :由相同字母重排形成的字符串,包括 p本身。

  • 示例:s = "cbaebabacd", p = "abc",应返回 [0, 6](因为以索引0开始的 "cba"和以索引6开始的 "bac"都是 "abc"的异位词)。


算法原理与思路

1. 暴力法(低效,不推荐)
  • 枚举 s中所有长度为 m(p的长度)的子串,判断每个子串是否为 p的异位词。

  • 判断方法:用哈希表统计子串和 p的字符频次,比较是否一致。

  • 时间复杂度:O(n × m),效率低。

2. 优化:滑动窗口 + 哈希表(推荐)
  • 核心思想 :用固定长度的窗口在 s上滑动,用数组(或哈希表)动态维护窗口内字符频次,与 p的频次对比,避免重复计算。

  • 为什么用数组 :如果字符串只包含小写字母,可用长度26的数组代替哈希表,下标 index = ch - 'a',提升效率。

  • 步骤:

    1. 统计 p的字符频次,存入数组 hash1(长度26)。

    2. 用另一个数组 hash2统计滑动窗口内字符频次。

    3. 使用双指针 left和 right表示窗口左右边界,初始化 left = 0。

    4. 遍历 s(right从0到n-1):

      • 进窗口 :将 s[right]加入 hash2,并更新有效字符计数 count。

      • 判断窗口大小 :当窗口长度 right - left + 1 > m时,需要收缩窗口(left++)。

      • 出窗口 :移动 left前,从 hash2中移除 s[left],并更新 count。

      • 更新结果 :当 count == m时,说明当前窗口是 p的异位词,记录 left。

  • 有效字符计数 count的作用:

    • 当窗口内某个字符的频次不超过 p中该字符的频次时,视作有效字符,count++。

    • 这样可以用 count == m快速判断窗口是否匹配,无需遍历整个 hash2比较。


代码实现(Java)

参考图片中的代码片段,以下是完整实现:

复制代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Solution {
    public List<Integer> findAnagrams(String s, String p) {
        List<Integer> result = new ArrayList<>();
        if (s == null || p == null || s.length() < p.length()) {
            return result;
        }
        
        int n = s.length();
        int m = p.length();
        
        // 统计p的字符频次
        int[] hash1 = new int[26];
        for (char ch : p.toCharArray()) {
            hash1[ch - 'a']++;
        }
        
        // 滑动窗口的字符频次
        int[] hash2 = new int[26];
        int count = 0; // 有效字符计数
        int left = 0;
        
        for (int right = 0; right < n; right++) {
            // 1. 进窗口:当前字符s[right]
            char in = s.charAt(right);
            hash2[in - 'a']++;
            if (hash2[in - 'a'] <= hash1[in - 'a']) {
                count++; // 是有效字符
            }
            
            // 2. 判断窗口大小是否超过m
            if (right - left + 1 > m) {
                char out = s.charAt(left);
                // 出窗口前,如果out是有效字符,则count--
                if (hash2[out - 'a'] <= hash1[out - 'a']) {
                    count--;
                }
                hash2[out - 'a']--; // 移除字符
                left++; // 左指针右移
            }
            
            // 3. 更新结果:当有效字符数等于m时,记录起始索引left
            if (count == m) {
                result.add(left);
            }
        }
        
        return result;
    }
}

时间复杂度与空间复杂度

  • 时间复杂度 :O(n),其中 n 是字符串 s的长度。每个字符最多进入和离开窗口各一次,操作是 O(1)。

  • 空间复杂度:O(1),因为哈希数组大小固定为26,与输入规模无关。


关键点总结

  1. 滑动窗口固定长度 :窗口大小始终为 m(p的长度),通过双指针 left和 right同步滑动。

  2. 有效字符计数 :用 count跟踪窗口内与 p匹配的字符个数,避免每次比较整个数组。

  3. 数组代替哈希表 :针对小写字母场景,数组更高效;如果字符集扩大,可改用 HashMap。

此算法高效且易于实现,是解决"字母异位词子串"问题的标准方法。

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