题目描述
这是 LeetCode 上的 42. 接雨水 ,难度为 困难。
Tag : 「单调栈」、「数学」
给定 n 个非负整数表示每个宽度为 1 的柱子的高度图,计算按此排列的柱子,下雨之后能接多少雨水。
示例 1:
输入:height = [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1] 输出:6 解释:上面是由数组 [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1] 表示的高度图,在这种情况下,可以接 6 个单位的雨水(蓝色部分表示雨水)。 复制代码
示例 2:
输入:height = [4,2,0,3,2,5] 输出:9 复制代码
提示:
- n == height.length
- 0 <= n <= 3 * 10410^4104
- 0 <= height[i] <= 10510^5105
朴素解法
对于每根柱子而言,我们只需要找出「其左边最高的柱子」和「其右边最高的柱子」。
对左右的最高柱子取一个最小值,再和当前柱子的高度做一个比较,即可得出当前位置可以接下的雨水。
同时,边缘的柱子不可能接到雨水(某一侧没有柱子)。
这样的做法属于「暴力做法」,但题目没有给数据范围,我们无法分析到底能否 AC。
唯唯诺诺交一个,过了 ~ (好题,建议加入蓝桥杯
代码:
class Solution { public int trap(int[] height) { int n = height.length; int ans = 0; for (int i = 1; i < n - 1; i++) { int cur = height[i]; // 获取当前位置的左边最大值 int l = Integer.MIN_VALUE; for (int j = i - 1; j >= 0; j--) l = Math.max(l, height[j]); if (l <= cur) continue; // 获取当前位置的右边边最大值 int r = Integer.MIN_VALUE; for (int j = i + 1; j < n; j++) r = Math.max(r, height[j]); if (r <= cur) continue; // 计算当前位置可接的雨水 ans += Math.min(l, r) - cur; } return ans; } } 复制代码
- 时间复杂度:需要处理所有非边缘的柱子,复杂度为 O(n)O(n)O(n);对于每根柱子而言,需要往两边扫描分别找到最大值,复杂度为 O(n)O(n)O(n)。整体复杂度为 O(n2)O(n^2)O(n2)
- 空间复杂度:O(1)O(1)O(1)
预处理最值解法
朴素解法的思路有了,我们想想怎么优化。
事实上,任何的优化无非都是「减少重复」。
想想在朴素思路中有哪些环节比较耗时,耗时环节中又有哪些地方是重复的,可以优化的。
首先对每根柱子进行遍历,求解每根柱子可以接下多少雨水,这个 O(n)O(n)O(n) 操作肯定省不了。
但在求解某根柱子可以接下多少雨水时,需要对两边进行扫描,求两侧的最大值。每一根柱子都进行这样的扫描操作,导致每个位置都被扫描了 nnn 次。这个过程显然是可优化的。
换句话说:我们希望通过不重复遍历的方式找到任意位置的两侧最大值。
问题转化为:给定一个数组,如何求得任意位置的左半边的最大值和右半边的最大值。
一个很直观的方案是:直接将某个位置的两侧最大值存起来。
我们可以先从两端分别出发,预处理每个位置的「左右最值」,这样可以将我们「查找左右最值」的复杂度降到 O(1)O(1)O(1)。
整体算法的复杂度也从 O(n2)O(n^2)O(n2) 下降到 O(n)O(n)O(n)。
代码:
class Solution { public int trap(int[] height) { int n = height.length; int ans = 0; // 由于预处理最值的时候,我们会直接访问到 height[0] 或者 height[n - 1],因此要特判一下 if (n == 0) return ans; // 预处理每个位置左边的最值 int[] lm = new int[n]; lm[0] = height[0]; for (int i = 1; i < n; i++) lm[i] = Math.max(height[i], lm[i - 1]); // 预处理每个位置右边的最值 int[] rm = new int[n]; rm[n - 1] = height[n - 1]; for (int i = n - 2; i >= 0; i--) rm[i] = Math.max(height[i], rm[i + 1]); for (int i = 1; i < n - 1; i++) { int cur = height[i]; int l = lm[i]; if (l <= cur) continue; int r = rm[i]; if (r <= cur) continue; ans += Math.min(l, r) - cur; } return ans; } } 复制代码
- 时间复杂度:预处理出两个最大值数组,复杂度为 O(n)O(n)O(n);计算每根柱子可接的雨水量,复杂度为 O(n)O(n)O(n)。整体复杂度为 O(n)O(n)O(n)
- 空间复杂度:使用了数组存储两侧最大值。复杂度为 O(n)O(n)O(n)
单调栈解法
前面我们讲到,优化思路将问题转化为:给定一个数组,如何求得任意位置的左半边的最大值和右半边的最大值。
但仔细一想,其实我们并不需要找两侧最大值,只需要找到两侧最近的比当前位置高的柱子就行了。
针对这一类找最近值的问题,有一个通用解法:单调栈。
单调栈其实就是在栈的基础上,维持一个栈内元素单调。
在这道题,由于需要找某个位置两侧比其高的柱子(只有两侧有比当前位置高的柱子,当前位置才能接下雨水),我们可以维持栈内元素的单调递减。
PS. 找某侧最近一个比其大的值,使用单调栈维持栈内元素递减;找某侧最近一个比其小的值,使用单调栈维持栈内元素递增 ...
当某个位置的元素弹出栈时,例如位置 a
,我们自然可以得到 a
位置两侧比 a
高的柱子:
- 一个是导致
a
位置元素弹出的柱子(a
右侧比a
高的柱子) - 一个是
a
弹栈后的栈顶元素(a
左侧比a
高的柱子)
当有了 a
左右两侧比 a
高的柱子后,便可计算 a
位置可接下的雨水量。
代码:
class Solution { public int trap(int[] height) { int n = height.length; int ans = 0; Deque<Integer> d = new ArrayDeque<>(); for (int i = 0; i < n; i++) { while (!d.isEmpty() && height[i] > height[d.peekLast()]) { int cur = d.pollLast(); // 如果栈内没有元素,说明当前位置左边没有比其高的柱子,跳过 if (d.isEmpty()) continue; // 左右位置,并有左右位置得出「宽度」和「高度」 int l = d.peekLast(), r = i; int w = r - l + 1 - 2; int h = Math.min(height[l], height[r]) - height[cur]; ans += w * h; } d.addLast(i); } return ans; } } 复制代码
- 时间复杂度:每个元素最多进栈和出栈一次。复杂度为 O(n)O(n)O(n)
- 空间复杂度:栈最多存储 nnn 个元素。复杂度为 O(n)O(n)O(n)
面积差值解法
事实上,我们还能利用「面积差值」来进行求解。
我们先统计出「柱子面积」sumsumsum 和「以柱子个数为宽、最高柱子高度为高的矩形面积」fullfullfull。
然后分别「从左往右」和「从右往左」计算一次最大高度覆盖面积 lSumlSumlSum 和 rSumrSumrSum。
显然会出现重复面积,并且重复面积只会独立地出现在「山峰」的左边和右边。
利用此特性,我们可以通过简单的等式关系求解出「雨水面积」:
代码:
class Solution { public int trap(int[] height) { int n = height.length; int sum = 0, max = 0; for (int i = 0; i < n; i++) { int cur = height[i]; sum += cur; max = Math.max(max, cur); } int full = max * n; int lSum = 0, lMax = 0; for (int i = 0; i < n; i++) { lMax = Math.max(lMax, height[i]); lSum += lMax; } int rSum = 0, rMax = 0; for (int i = n - 1; i >= 0; i--) { rMax = Math.max(rMax, height[i]); rSum += rMax; } return lSum + rSum - full - sum; } } 复制代码
- 时间复杂度:O(n)O(n)O(n)
- 空间复杂度:O(1)O(1)O(1)
总结
从「朴素解法」到「预处理最值」再到「单调栈」最后到「面积差值解法」,掘友们学会了吗 💪💪 ~
其中「单调栈」是最为常规,也是面试官最爱考虑吃内容,建议重点掌握 ~