Hot 100 --- 轮转数组

本文概览：本文以LeetCode经典题目"轮转数组"为例，从暴力解法入手，逐步优化到 O(n) 额外空间的解法，再通过三次翻转法实现 O(1) 空间复杂度的原地修改，系统讲解如何用红黑笔的比喻理解三次翻转的巧妙之处

一、题目

二、题目分析

给定一个整数数组 nums，将数组中的元素向右轮转 k 个位置

目标：原地修改数组，实现右轮转 k 位

从过程看轮转

最直观的理解是"过程视角"：每次把数组所有元素右移一位，重复 k 次。但这种方式时间复杂度极高

从结果看轮转

如果只看结果而不看过程，轮转其实就是把后面长度为 k 的子数组和前面长度为 n-k 的子数组交换位置 。例如 nums = [1,2,3,4,5,6,7], k = 3，轮转后就是 [5,6,7,1,2,3,4]，本质上是把 [5,6,7] 放到了开头，[1,2,3,4] 放到了后面

所以下面的解法都是基于"把后面长度为 k 的子数组和前面长度为 n-k 的子数组交换位置"这个视角来的

思路概览

Java实现代码如下

Java 复制代码

public void rotate(int[] nums, int k) {
    if (nums == null || nums.length == 0 || k <= 0) {
        return;
    }
    int left = 0;
    int right = nums.length - 1;
    k = k % nums.length; // 处理 k 大于数组长度的情况
    // 1. 反转整个数组
    while (left < right) {
        int temp = nums[left];
        nums[left] = nums[right];
        nums[right] = temp;
        left++;
        right--;
    }
    // 2. 反转前 k 个元素
    left = 0;
    right = k - 1;
    while (left < right) {
        int temp = nums[left];
        nums[left] = nums[right];
        nums[right] = temp;
        left++;
        right--;
    }
    // 3. 反转剩余的元素
    left = k;
    right = nums.length - 1;
    while (left < right) {
        int temp = nums[left];
        nums[left] = nums[right];
        nums[right] = temp;
        left++;
        right--;
    }
}

思路简要说明

反转整个数组：将数组完全翻转
反转前 k 个元素：将翻转后位于前 k 位的元素（即原来的后 k 个元素）再翻转回来，恢复正确顺序
反转剩余元素：将翻转后位于后 n-k 位的元素（即原来的前 n-k 个元素）再翻转回来，恢复正确顺序

三、思路详解

暴力解法入手

最直接的暴力做法是：每次将数组所有元素右移一位，重复 k 次。每次右移需要遍历整个数组，共 k 次

时间复杂度：O(n × k)，当 k 很大时效率极低
核心瓶颈：每次只移动一位，做了大量重复的挪动操作
关键思考：能否一次性完成交换，而不是逐位挪动？

O(n) 额外空间解法

既然轮转的本质是把后面长度为 k 的子数组放到开头，前面长度为 n-k 的子数组放到后面，那最简单的做法就是新开一个数组，直接把后 k 个元素放到新数组的开头，前 n-k 个元素放到新数组的后面，最后把新数组复制回原数组

Java 复制代码

public void rotate(int[] nums, int k) {
    int n = nums.length;
    k = k % n;
    int[] arr = new int[n];
    // 后 k 个元素放到开头
    for (int i = 0; i < k; i++) {
        arr[i] = nums[n - k + i];
    }
    // 前 n-k 个元素放到后面
    for (int i = k; i < n; i++) {
        arr[i] = nums[i - k];
    }
    // 复制回原数组
    System.arraycopy(arr, 0, nums, 0, n);
}

时间复杂度：O(n)，只需遍历一次
空间复杂度：O(n)，需要额外开一个长度为 n 的数组
核心瓶颈：数组比较大时，额外开辟一个同等大小的数组空间开销非常大
关键思考：能否不开新数组，原地完成交换？

三次翻转法（O(1) 空间）

思路分析

不开新数组，直接把后面 k 个元素和前面 n-k 个元素交换位置，在代码层面需要一个中间变量来记录数组，无法实现原地反转

但有一个小巧思------三次翻转法

我们用红笔和黑笔来理解：假设有一排笔排成一排，笔头朝右，黑笔代表后面长度为 k 的子数组，红笔代表前面长度为 n-k 的子数组

复制代码

轮转前：→→→→  →→→   （红红红红 黑黑黑，笔头都朝右）
轮转后：→→→  →→→→   （黑黑黑 红红红红，笔头都朝右）

我们要的就是黑笔在前面、红笔在后面，且笔头都朝右。最直接的想法就是把红笔和黑笔交换顺序，但这需要额外空间

三次翻转的巧妙之处：

第一步：反转整个数组

复制代码

反转前：→→→→  →→→   （红红红红 黑黑黑）
反转后：←←←  ←←←←   （黑黑黑 红红红红）

反转后，黑笔已经到了前面，红笔已经到了后面，位置已经符合要求了！但是有个问题：所有笔的笔头朝向都反了------原来朝右，现在朝左

第二步：反转前 k 个元素（把黑笔的笔头翻回去）

复制代码

反转前：←←←  ←←←←
反转后：→→→  ←←←←   （黑笔笔头恢复朝右）

第三步：反转后 n-k 个元素（把红笔的笔头翻回去）

复制代码

反转前：→→→  ←←←←
反转后：→→→  →→→→   （红笔笔头恢复朝右）

三次翻转后，黑笔在前面且笔头朝右，红笔在后面且笔头朝右，轮转完成！

为什么三次翻转等价于轮转？

从数学角度理解：

原数组：[A | B]，其中 A 是前 n-k 个元素，B 是后 k 个元素
目标：[B | A]
反转整个数组：[A' | B']（A' 是 A 的反转，B' 是 B 的反转）
反转前 k 个（即 B'）：[B | A']
反转后 n-k 个（即 A'）：[B | A]

每一步反转都是原地的，只需要双指针交换，空间复杂度 O(1)

举例说明

以 nums = [1,2,3,4,5,6,7], k = 3 为例

第一步：反转整个数组

复制代码

[1,2,3,4,5,6,7] → [7,6,5,4,3,2,1]

第二步：反转前 k=3 个元素

复制代码

[7,6,5,4,3,2,1] → [5,6,7,4,3,2,1]

第三步：反转后 n-k=4 个元素

复制代码

[5,6,7,4,3,2,1] → [5,6,7,1,2,3,4]

最终结果为 [5,6,7,1,2,3,4]，轮转正确

时间复杂度：O(n)，三次反转各遍历一部分，总共遍历 2n 次
空间复杂度：O(1)，只用了常数个临时变量