設計一個算法,把一個含有N個元素的數組循環右移K位,要求時間復雜度為O(N),且只允許使用兩個附加變量。
不合題意的解法如下:
我們先試驗簡單的辦法,可以每次將數組中的元素右移一位,循環K次。abcd1234→4abcd123→34abcd12→234abcd1→1234abcd。偽代碼如下:
代碼清單2-33
RightShift(int* arr, int N, int K)
{
while(K--)
{
int t = arr[N - 1];
for(int i = N - 1; i > 0; i --)
arr[i] = arr[i - 1];
arr[0] = t;
}
}
雖然這個算法可以實現數組的循環右移,但是算法復雜度為O(K * N),不符合題目的要求,需要繼續往下探索。
分析與解法
假如數組為abcd1234,循環右移4位的話,我們希望到達的狀態是1234abcd。不妨設K是一個非負的整數,當K為負整數的時候,右移K位,相當於左移(-K)位。左移和右移在本質上是一樣的。
【解法一】
大家開始可能會有這樣的潛在假設,K<N。事實上,很多時候也的確是這樣的。但嚴格地說,我們不能用這樣的“慣性思維”來思考問題。尤其在編程的時候,全面地考慮問題是很重要的,K可能是一個遠大於N的整數,在這個時候,上面的解法是需要改進的。
仔細觀察循環右移的特點,不難發現:每個元素右移N位后都會回到自己的位置上。因此,如果K > N,右移K-N之后的數組序列跟右移K位的結果是一樣的。進而可得出一條通用的規律:右移K位之后的情形,跟右移K’= K % N位之后的情形一樣。
代碼清單2-34
RightShift(int* arr, int N, int K)
{
K %= N;
while(K--)
{
int t = arr[N - 1];
for(int i = N - 1; i > 0; i --)
arr[i] = arr[i - 1];
arr[0] = t;
}
}
可見,增加考慮循環右移的特點之后,算法復雜度降為O(N2),這跟K無關,與題目的要求又接近了一步。但時間復雜度還不夠低,接下來讓我們繼續挖掘循環右移前后,數組之間的關聯。
【解法二】
假設原數組序列為abcd1234,要求變換成的數組序列為1234abcd,即循環右移了4位。比較之后,不難看出,其中有兩段的順序是不變的:1234和abcd,可把這兩段看成兩個整體。右移K位的過程就是把數組的兩部分交換一下。變換的過程通過以下步驟完成:
1. 逆序排列abcd:abcd1234 → dcba1234;
2. 逆序排列1234:dcba1234 → dcba4321;
3. 全部逆序:dcba4321 → 1234abcd。
偽代碼可以參考如下:
代碼清單2-35
Reverse(int* arr, int b, int e)
{
for(; b < e; b++, e--)
{
int temp = arr[e];
arr[e] = arr[b];
arr[b] = temp;
}
}
RightShift(int* arr, int N, int k)
{
K %= N;
Reverse(arr, 0, N – K - 1);
Reverse(arr, N - K, N - 1);
Reverse(arr, 0, N - 1);
}
這樣,我們就可以在線性時間內實現右移操作了。