一、 问题描述
给定一个不含重复数字 的数组 nums,返回其所有可能的全排列。你可以按任意顺序返回答案。
示例:
输入:
nums = [1,2,3]输出:
[[1,2,3],[1,3,2],[2,1,3],[2,3,1],[3,1,2],[3,2,1]]
二、 核心思路:回溯 (Backtracking)
全排列问题是回溯算法 最经典的入门题。回溯算法的本质是决策树的深度优先遍历 (DFS)。
我们可以将全排列问题具象化为:有 n 个空位,我们需要从左到右依次填入 nums 中的数字。每个数字只能用一次。
1. 状态定义
在遍历决策树的过程中,我们需要维护以下几个关键状态:
路径 (Path):记录当前已经做出的选择(即当前正在生成的排列)。
选择列表:当前还可以做出的选择(即数组中还未被使用的数字)。
结束条件:到达决策树底层,无法再做选择的条件。
2. 关键难点:如何记录"已使用"?
由于数组中的元素不能重复使用,我们需要一个标记机制。最直接的方法是引入一个布尔数组 used:
used[i] == true:表示nums[i]已经在当前路径中被使用。
used[i] == false:表示nums[i]尚未被使用,可以加入当前路径。
3. 回溯过程图解
以 nums = [1, 2, 3] 为例,决策树的遍历过程如下:
第一层:可以选择 1, 2, 3。
第二层:如果第一层选了 1,第二层只能从 2, 3 中选。
第三层:如果前两层选了 1, 2,第三层只能选 3。
当路径长度达到 3 时,记录当前路径,并撤销上一步选择(回溯),返回上一层尝试其他分支。
三、 代码实现 (C++)
基于上述思路,我们可以写出非常标准的回溯代码模板:
cpp
class Solution {
public:
vector<vector<int>> permute(vector<int>& nums) {
vector<vector<int>> result;
vector<int> path;
vector<bool> used(nums.size(), false);
backtrack(nums, used, path, result);
return result;
}
private:
void backtrack(const vector<int>& nums, vector<bool>& used, vector<int>& path, vector<vector<int>>& result) {
// 1. 终止条件:路径长度等于数组长度,说明找到了一个全排列
if (path.size() == nums.size()) {
result.push_back(path);
return;
}
// 2. 遍历选择列表
for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) {
// 排除不合法的选择:当前数字已被使用
if (used[i]) continue;
// 3. 做选择
used[i] = true;
path.push_back(nums[i]);
// 4. 进入下一层决策树
backtrack(nums, used, path, result);
// 5. 撤销选择 (回溯核心)
path.pop_back();
used[i] = false;
}
}
};

四、 复杂度分析
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时间复杂度:O(n×n!)
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总共有 n! 种全排列。
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每种排列需要 O(n) 的时间将其从
path复制到result中。 -
递归树的节点总数约为 e×n!,因此整体时间复杂度为 O(n×n!)。
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空间复杂度:O(n)
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递归调用栈的深度最大为 n。
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used数组和path数组的空间开销均为 O(n)。 -
注意:返回结果
result占用的空间不计入算法的辅助空间复杂度。
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五、 拓展与普适化:回溯算法通用模板
全排列问题揭示了回溯算法解决**"组合/排列/子集"**类问题的通用范式。我们可以将其抽象为以下伪代码模板:
cpp
result = []
def backtrack(路径, 选择列表):
if 满足结束条件:
result.add(路径)
return
for 选择 in 选择列表:
做选择
backtrack(路径, 新的选择列表)
撤销选择