Hot 100 ---腐烂的橘子

本文概览：本文以LeetCode题目"腐烂的橘子"为例，讲解多源BFS的思路------所有腐烂橘子同时扩散，每轮加1分钟，最后用新鲜橘子计数判断是否全部腐烂

一、题目

二、题目分析

题目要求：每分钟，腐烂的橘子会腐蚀上下左右相邻的新鲜橘子，求全部橘子腐烂的最小时间。如果有橘子永远无法被腐蚀，返回 -1

核心特征：腐烂橘子每分钟向四周扩散一圈，这和上一篇岛屿数量的 BFS 是同一套框架------从起点向外一层层扩散。但有一个关键区别：岛屿数量用 DFS 或 BFS 都行，因为只要标记掉同一个岛屿的所有陆地即可，不关心顺序；而腐烂的橘子只能用 BFS，因为需要计算时间，只有 BFS 的层序遍历才能保证"同一轮扩散的橘子属于同一分钟"

	岛屿数量	腐烂的橘子
可用方法	DFS 或 BFS	只能 BFS
起点	遇到一个 '1' 开始	所有腐烂橘子同时开始
扩散目标	标记同一个岛屿的陆地	腐蚀相邻的新鲜橘子
统计	count（岛屿数量）	minutes（轮数 = 分钟数）
无解情况	无	有新鲜橘子永远无法被腐蚀

关键点：腐烂橘子可能有多个，它们同时扩散，所以一开始就要把所有腐烂橘子全部加入队列

思路概览

java 复制代码

class Solution {
    // 上下左右
    private final int[][] dirs = {{1, 0}, {-1, 0}, {0, -1}, {0, 1}};

    public int orangesRotting(int[][] grid) {
        if(grid == null || grid.length == 0 )
            return 0;

        // 长宽
        int rows = grid.length;
        int cols = grid[0].length;
        // 好橘子数
        int fresh = 0;

        // 队列
        Queue<int[]> queue = new LinkedList<>();
        // 加入所有腐烂的橘子
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++) {
                // 如果是腐烂的橘子
                if (grid[i][j] == 2) {
                    queue.add(new int[]{i, j});
                }
                // 如果是好橘子
                else if (grid[i][j] == 1) {
                    fresh++;
                }
            }
        }
        // 如果没有好橘子
        if(fresh == 0)
            return 0;
        // 如果有好橘子,开始腐烂
        return bfs(grid, queue, rows, cols, fresh);

    }

    private int bfs(int[][] grid, Queue<int[]> queue, int rows, int cols, int fresh) {
        int minutes = -1;
        while (!queue.isEmpty()) {
            int size = queue.size();
            // 遍历当前队列中的所有腐烂橘子
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                int[] point = queue.poll();
                // 遍历四个方向
                for (int[] dir : dirs) {
                    int x = point[0] + dir[0];
                    int y = point[1] + dir[1];
                    // 如果越界或者不是好橘子,跳过
                    if (x < 0 || x >= rows || y < 0 || y >= cols || grid[x][y] != 1) {
                        continue;
                    }
                    // 腐烂橘子
                    grid[x][y] = 2;
                    // 好橘子数减一
                    fresh--;
                    // 加入队列
                    queue.add(new int[]{x, y});
                }
            }
            // 分钟数加一
            minutes++;
        }
        // 如果还有好橘子,返回-1
        if (fresh > 0) {
            return -1;
        }
        return minutes;
    }
}

思路简要说明

多源 BFS：先遍历整个网格，把所有腐烂橘子的位置加入队列，同时记录新鲜橘子的数量。这些腐烂橘子就是 BFS 的初始起点
每轮 = 1 分钟 ：用 size 记录当前队列长度，一轮处理完当前所有腐烂橘子，minutes+1。这和层序遍历取每层节点数是一个道理
fresh 计数：每腐蚀一个新鲜橘子，fresh-1。BFS 结束后如果 fresh > 0，说明有橘子永远没被腐蚀到，返回 -1

三、思路详解

第一步：为什么是多源 BFS？

普通 BFS 是从一个起点开始扩散。但这题的腐烂橘子可能有多个，而且它们同时向四周扩散。如果对每个腐烂橘子单独做 BFS，时间会出错------因为多个橘子是并行的，不是串行的

解决办法：把所有腐烂橘子一开始就全部加入队列。这样第一轮处理的就是所有初始腐烂橘子，第二轮处理的是它们腐蚀的新橘子，第三轮处理的是新橘子腐蚀的更新橘子......每一轮就是 1 分钟

复制代码

初始：              第1分钟：          第2分钟：

2 1 1              2 2 1              2 2 2
1 1 0              2 1 0              2 2 0
0 1 1              0 1 1              0 1 1

两个腐烂橘子        四个腐烂橘子        五个腐烂橘子
同时扩散             （各腐蚀了一圈）     （继续扩散）

如果分开做 BFS 再取最大值，逻辑会复杂很多。多源 BFS 让所有腐烂橘子在同一个队列里轮转，天然实现了"同时扩散"

第二步：为什么要记录新鲜橘子数量？

这题有个特殊情况：有些新鲜橘子可能永远不会被腐蚀。比如：

复制代码

2 1 1
0 0 0
1 1 1

上面两行的橘子可以被腐蚀，但下面那行的橘子和上面的腐烂橘子隔了一层空格（0），永远接触不到，所以永远不会腐烂

如果我们只做 BFS，BFS 结束后就不知道还有没有新鲜橘子剩着。所以一开始就要记录新鲜橘子的总数 fresh，每腐蚀一个就 fresh--。BFS 结束后检查 fresh > 0，如果是，说明有橘子没被腐蚀到，返回 -1

第三步：minutes 为什么初始为 -1？

java 复制代码

int minutes = -1;
while (!queue.isEmpty()) {
    int size = queue.size();
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        // ...处理当前轮
    }
    minutes++;
}

关键在于理解每一轮 while 循环代表什么：

初始队列里是所有初始腐烂的橘子，它们还没开始扩散，此时是第 0 分钟
第一轮 ：初始腐烂橘子向四周扩散，腐蚀了第一批新鲜橘子。这批橘子是在第 1 分钟才腐烂的。minutes++ → 0
第二轮 ：第一批新腐烂橘子继续扩散。minutes++ → 1
...

那 minutes=0 时明明已经腐蚀了第一批，为什么不是 1？因为最后一轮会有一个"空轮"------最后一批腐烂的橘子入队后，它们周围已经没有新鲜橘子了，但仍然会进入 while 循环处理一遍，minutes++ 多加了一次

所以 -1 的初始值就是为了抵消这个空轮：实际扩散了 N 轮，while 循环跑了 N+1 次（最后一次是空的），minutes = -1 + (N+1) = N，正好是总分钟数

第四步：完整执行过程图解

以这个网格为例：

复制代码

2 1 1
1 1 0
0 1 1

初始遍历：

复制代码

腐烂橘子：(0,0)
新鲜橘子数：fresh = 6
队列：[(0,0)]

第 1 轮（处理队列中的 1 个橘子）：

复制代码

出队 (0,0)，检查上下左右：
  下 (1,0) 是 1 → 腐烂，fresh=5，入队
  右 (0,1) 是 1 → 腐烂，fresh=4，入队

网格变化：
  2 2 1
  2 1 0
  0 1 1

队列：[(1,0), (0,1)]
minutes = 0

第 2 轮（处理队列中的 2 个橘子）：

复制代码

出队 (1,0)，检查上下左右：
  右 (1,1) 是 1 → 腐烂，fresh=3，入队
  上 (0,0) 是 2 → 跳过
  下 (0,1) 是 0 → 跳过

出队 (0,1)，检查上下左右：
  右 (0,2) 是 1 → 腐烂，fresh=2，入队
  下 (1,1) 是 2 → 跳过（刚被腐蚀）
  左 (0,0) 是 2 → 跳过

网格变化：
  2 2 2
  2 2 0
  0 1 1

队列：[(1,1), (0,2)]
minutes = 1

第 3 轮（处理队列中的 2 个橘子）：

复制代码

出队 (1,1)，检查上下左右：
  下 (2,1) 是 1 → 腐烂，fresh=1，入队
  其他方向是 0 或 2 → 跳过

出队 (0,2)，检查上下左右：
  下 (1,2) 是 0 → 跳过
  其他方向越界或 2 → 跳过

网格变化：
  2 2 2
  2 2 0
  0 2 1

队列：[(2,1)]
minutes = 2

第 4 轮（处理队列中的 1 个橘子）：

复制代码

出队 (2,1)，检查上下左右：
  右 (2,2) 是 1 → 腐烂，fresh=0，入队
  其他方向是 0 或 2 → 跳过

网格变化：
  2 2 2
  2 2 0
  0 2 2

队列：[(2,2)]
minutes = 3

第 5 轮（处理队列中的 1 个橘子）：

复制代码

出队 (2,2)，检查上下左右：
  全部越界或 0 或 2 → 无新增

队列为空
minutes = 4

最终检查：fresh = 0，所有橘子都腐烂了，返回 minutes = 4

第五步：和岛屿数量 BFS 的对比

这两题的 BFS 框架几乎一样，关键区别在初始条件和统计目标：

	岛屿数量	腐烂的橘子
初始队列	遍历时遇到一个 '1' 才入队	先遍历一遍，所有腐烂橘子全部入队
BFS 调用次数	每个岛屿调用一次	只调用一次
size 的作用	取每层最后一个节点	控制每轮处理几个橘子
轮数的意义	不关心轮数	每轮 = 1 分钟
标记方式	改成 '0'	改成 '2'（腐烂）
结束后判断	不需要	检查 fresh > 0

核心都是 BFS 层序遍历的框架，只是"源"从一个变成多个，以及统计目标不同

复杂度分析

时间复杂度：O(rows×cols)，每个格子最多入队一次
空间复杂度：O(rows×cols)，队列最坏情况存放所有格子