本文首發於微信公眾號「玉剛說」
原文連結：面試必備：陣列和字串
資料結構和演算法有多重要？
我想有追求的程式設計師都不會放過它的。 打個比方，在金庸的武俠世界裡，資料結構和演算法它就像一門上乘的內功心法，一旦掌握了它，各種武功信手拈來，毫無壓力（張無忌就是一個典型的例子），對於程式設計師來說，它能決定你在技術這條道路上能走多遠。
本文主要涉及陣列、字串這幾個資料結構，然後通過解答和分析幾道常見的面試題，從中分享一些我的學習心得和解題套路，希望對你有幫助。
題目1：翻轉句子
題目： 給定一個英文句子，每個單詞之間都是由一個或多個空格隔開，請翻轉句子中的單詞順序（包括空格的順序），但單詞內字元的順序保持不變。例如輸入"www google com "，則應輸出" com google www"。
如果你經常關注演算法相關文章，這道題應該會比較熟悉，各種部落格和書籍上都有出現，不熟悉也沒關係，現在我們就一起來嘗試解答下。這裡要注意題意和網上流傳的題目有個不同點：網上基本都是單詞間有且只有一個空格，而此題需要考慮一個或多個空格的情況。
解題思路
試想一下，如果將整個字串翻轉，結果是句子是反轉了，但單詞內的字元順序也翻轉了。如果要保證單詞內順序不變，只需要再將每個單詞翻轉一下就滿足要求了。
由於題中“www google com ”字串較長，我就以" hello world"為例分析下這個過程，請看下圖。
注：（1）字串" hello world"初始狀態，注意首字元是空格。 （2）將" hello world"整個句子翻轉後的樣子。可以看出不僅翻轉了句子中單詞的順序(包括空格)，連單詞內的字元順序也翻轉了。(3) 定義兩個指標p1、p2都指向句子的首字元。 （4）首字元d，不是空格，此時p1指標不動，p2指標向右移動1位，指向字元 l。（移動p2指標目的：檢查單詞的結束位置。） （5）由於第二個字元為 l ，也不是空格，p2繼續向右移動1位。（6）多次移動後，p2指標在第一個空格處停下來，此時就能得知p2-1為該單詞的結束位置。（7）反轉兩個指標（p1、p2-1）中間的字串。（8）交換後，重置兩個指標位置p1=p2++。以此類推，繼續尋找下一個單詞並翻轉，直到指標移動到句子末尾就結束迴圈。
此思路的關鍵是：1. 實現一個函式/方法，翻轉字串中的一段。 2. 判斷並獲取句子中的單詞，注意空格。
測試用例
- 功能測試：多個單詞、1個單詞、單詞間只有一個空格、單詞間有多個空格。
- 特殊輸入測試：空字元、字串中只有空格、null物件（指標）。
編碼實現
- Java程式碼
/**
* @param chars 原字串
* @param start 大於等於0
* @param end 小於 length
* @return
*/
private char[] v1_0_reverse(char[] chars, int start, int end) {
// str 判斷null， 索引有效值判斷
if (chars == null || start < 0 || end >= chars.length || start >= end) {
return chars;
}
while (start < end) {
// 收尾字元互換，直到替換完成。
char temp = chars[start];
chars[start] = chars[end];
chars[end] = temp;
start++;
end--;
}
return chars;
}
private String v1_0_solution(String sentence) {
if (sentence == null || sentence.isEmpty()) {
return sentence;
}
int length = sentence.length();
// 第一步翻轉所有字元
char[] chars = v1_0_reverse(sentence.toCharArray(), 0, length - 1);
System.out.println(new String(chars));
// 第二步翻轉每個單詞（重點：怎麼找到單詞）
int start = 0, end = 0;
while (start < length) {
if (chars[start] == ' ') {
// 遇到空格就向右邊繼續查詢
start++;
end++;
} else if (end == length || chars[end] == ' ') {
// 遇到空格或者已經到了字串末尾，此時翻轉找到的單詞內部字元，這裡需要注意end-1
chars = v1_0_reverse(chars, start, end - 1);
System.out.println(new String(chars));
// 重新制定檢查索引start
start = end++;
} else {
// end加1，為了檢查單詞是否結束
end++;
}
}
return new String(chars);
}
複製程式碼- C++ 程式碼實現
// 反轉字串
void Reverse(char *pBegin, char *pEnd)
{
if(pBegin == NULL || pEnd == NULL)
return;
while(pBegin < pEnd)
{
char temp = *pBegin;
*pBegin = *pEnd;
*pEnd = temp;
pBegin ++, pEnd --;
}
}
// 翻轉句子中單詞順序，但保證單詞內字元順序不變。
char* ReverseSentence(char *pData)
{
if(pData == NULL)
return NULL;
char *pBegin = pData;
char *pEnd = pData;
while(*pEnd != '\0')
pEnd ++;
pEnd--;
// 翻轉整個句子
Reverse(pBegin, pEnd);
// 翻轉句子中的每個單詞
pBegin = pEnd = pData;
while(*pBegin != '\0')
{
if(*pBegin == ' ')
{
pBegin ++;
pEnd ++;
}
else if(*pEnd == ' ' || *pEnd == '\0')
{
Reverse(pBegin, --pEnd);
pBegin = ++pEnd;
}
else
{
pEnd ++;
}
}
return pData;
}
複製程式碼如果你在面試的時候遇到這道題，並且很容易就想到了這個演算法，有經驗的面試官就會在這道題基礎上加點難度，繼續考查面試者。so，第二道題來了：
題目：接上題，面試官繼續提問，我們得到的" com google www"需要被用作一個URL的引數，所以這裡需要的處理是去掉開頭結尾的無效空格，並將兩個單詞中間的每一個空格都替換為"%20"。例如" com google www"應被轉換為"com%20%20google%20www"，請給出轉換函式。
解題思路
- 第一步去掉收尾的無效空格；比如" com google www"去掉後得到"com google www"。
- 第二步將兩個單詞中間的每一個空格都替換為"%20"。
還是以" hello world"為例，簡單分析下解題過程，請看下圖。
注：（1）字串" hello world"，這裡注意首字元是空格。 （2）剔除首尾空格後。 （3）對原字串進行擴容。newLen = len + 2 x blackCount；這裡解釋下新陣列的長度是如何計算的，由於是將每一個空格都替換為"%20",就相當於原來佔一個字元替換後要佔三個字元，換言之，每一個空格就會多出兩個字元長度，所以就有前面的表示式。 （4） 定義兩個指標p1、p2，分別指向len-1和newLen-1位置。 （5）判斷p1指標是否指向空格，如果是則在p2處開始插入字元“%20”，不是則將p1指向的值複製給p2並將兩個指標往左移動一位。這裡將p1指向的字元 d 賦值給p2，並將兩個指標向左移動一位。 （6）將p1指向的字元 l 賦值給p2，並移動指標。 （7）多次賦值和移動後，p1指向了第一個空格。 （8）在p2處依次插入字元 0 、 2 、 % ，並指標p2向左移動三位，結束後將p1向左移動一位，此時p1、p2重合結束迴圈。
測試用例
- 功能測試：前後有無空格情況、中間一個或多個空格情況。
- 特殊輸入測試：空字元、字串中只有空格、null物件（指標）。
編碼實現
- Java程式碼
private String v1_1_solution(String sentence) {
if (sentence == null || sentence.isEmpty()) {
return sentence;
}
// 去掉字串收尾的空格
sentence = trim(sentence);
int len = sentence.length();
char[] chars = sentence.toCharArray();
int count = getSpaceCount(sentence);
int newLen = 2 * count + len;
// 擴容，內部使用System.arraycopy 方法實現。
chars = Arrays.copyOf(chars, newLen);
int index = len - 1;
int newIndex = newLen - 1;
while (index >= 0 && newIndex > index) {
if (chars[index] == ' ') {
chars[newIndex--] = '0';
chars[newIndex--] = '2';
chars[newIndex--] = '%';
} else {
chars[newIndex--] = chars[index];
}
index--;
}
return new String(chars);
}
/**
* 剔除字串收尾的空格
*
* @param origin
* @return
*/
private String trim(String origin) {
char[] chars = origin.toCharArray();
int length = chars.length;
int st = 0;
while (st < length && chars[st] == ' ') {
st++;
}
while (st < length && chars[length - 1] == ' ') {
length--;
}
// 如果收尾有空格，就擷取生成新的字串
if (st > 0 || length < chars.length) {
origin = new String(chars, st, (length - st));
}
return origin;
}
private int getSpaceCount(String sentence) {
char[] chars = sentence.toCharArray();
int count = 0;
for (char c : chars) {
if (c == ' ') {
count++;
}
}
return count;
}
複製程式碼- C++實現
/* 去掉收尾空格:將原字串擷取後返回新字串 */
void trim(char *strIn, char *strOut){
int i = 0;
int j = strlen(strIn) - 1;
while(strIn[i] == ' ')
++i;
while(strIn[j] == ' ')
--j;
strncpy(strOut, strIn + i , j - i + 1);
strOut[j - i + 1] = '\0';
}
/*length 為字元陣列string的總容量*/
void replaceBlank(char string[], int length)
{
if(string == NULL && length <= 0)
return;
/*originalLength 為字串string的實際長度*/
int originalLength = 0;
int numberOfBlank = 0;
int i = 0;
while(string[i] != '\0')
{
++ originalLength;
if(string[i] == ' ')
++ numberOfBlank;
++ i;
}
/*newLength 為把空格替換成'%20'之後的長度*/
int newLength = originalLength + numberOfBlank * 2;
if(newLength > length)
return;
int indexOfOriginal = originalLength;
int indexOfNew = newLength;
while(indexOfOriginal >= 0 && indexOfNew > indexOfOriginal)
{
if(string[indexOfOriginal] == ' ')
{
string[indexOfNew --] = '0';
string[indexOfNew --] = '2';
string[indexOfNew --] = '%';
}
else
{
string[indexOfNew --] = string[indexOfOriginal];
}
-- indexOfOriginal;
}
}
複製程式碼題目2：調整陣列中元素順序
題目： 給定一個整數陣列，請實現一個函式來調整陣列中數字的順序，使得所有奇數都位於偶數之前。
解題思路
此題比較簡單，我最先想到的解法是這樣：我們維護兩個指標(索引)，一個指標指向陣列的第一個數字，稱之為頭指標，向右移動；一個指標指向最後一個數字，稱之為尾指標，向左移動。
注：（1）初始化兩個指標P1、P2，分別指向陣列的頭部和尾部。（2）由上一步得知，指標P1指向的數字是偶數2，而P2指向的數字是奇數5，滿足條件，我們交換這兩個數字。（3） P1繼續向右移動直到指向偶數6，P2繼續向左移動直到指向奇數7。（4）交換兩個指標指向的數字。（5）P1，P2繼續移動後重疊，表明所有奇數已位於偶數前面了。
迴圈結束條件：兩個指標重疊時或P2指標移動到了P1指標的前面，此時退出迴圈。 可以看出此演算法，一次迴圈搞定，所以時間複雜度O(n), 由於在原陣列上操作，所以空間複雜度O(1)。
測試用例
- 功能測試：全是奇數、全是偶數、奇偶數存在但已排好序/未排好序。
- 特殊輸入測試： null物件、陣列元素為0、有負數情況。
編碼
- Java實現
private int[] v2_0_solution(int[] nums) {
if (nums == null || nums.length <= 1) {
return nums;
}
int st = 0;
int end = nums.length - 1;
while (st < end) {
// find even number
if (isOdd(nums[st])) {
st++;// 奇數，索引右移
} else if (!isOdd(nums[end])) {
end--;// 偶數，索引左移
} else {
// 奇偶數互換
int temp = nums[st];
nums[st] = nums[end];
nums[end] = temp;
st++;
end--;
}
}
return nums;
}
// 與1做按位運算，不為0就是奇數，反之為偶數
private boolean isOdd(int n) {
return (n & 1) != 0;
}
複製程式碼- C++實現
// 互換
void swap(int* num1, int* num2)
{
int temp = *num1;
*num1 = *num2;
*num2 = temp;
}
//判斷是否為奇數
bool isOdd(int data)
{
return (data & 1) != 0;
}
//奇偶互換
void oddEvenSort(int *pData, unsigned int length)
{
if (pData == NULL || length == 0)
return;
int *pBegin = pData;
int *pEnd = pData + length - 1;
while (pBegin < pEnd)
{
//如果pBegin指標指向的是奇數，正常，向右移
if (isOdd(*pBegin))
{
pBegin++;
}
//如果pEnd指標指向的是偶數，正常，向左移
else if (!isOdd(*pEnd))
{
pEnd--;
}
else
{
//否則都不正常，交換
swap(pBegin, pEnd);
}
}
}
複製程式碼有經驗的面試官又來了，題目難度需要升下級，?~
題目： 接上題，面試官會繼續要求改造此函式使其能夠保證原先輸入陣列的奇數內部順序以及偶數內部順序，即如果輸入為{2，1，3，6，4，7，8，5}，則輸出應為{1，3，7，5，2，6，4，8}，奇數之間的相互順序和偶數之間的相互順序不得被改變。
解題思路
要想保證原陣列內元素的順序，可使用O(n)的temp陣列空間按順序快取偶數，奇數依次放到原陣列前面，最後將temp中偶數取出放在原陣列後面。
注： 變數解釋：st為即將插入的奇數在原陣列中的索引，evenCount為快取的偶數個數。（1）初始化和原陣列相同長度的陣列temp，指標p1指向首個元素，st=eventCount=0。 （2）將p1指向的偶數 2 放入在temp中，evenCount自加1。 （3）由於p1指標向右移動一位指向的是奇數 1 ，所以將p1指向的值賦值給Array[st]，此時還st=0，賦值完成後st自加1。 （8）依次邏輯，直到迴圈結束時，已完成原陣列中奇數元素按順序插入到了頭部，偶數按順序快取在了temp陣列中，即圖中狀態。
**上圖展示了偶數按順序快取到temp陣列中，奇數按順序放到原陣列前面。**最後將temp陣列中的偶數依次按序放在原陣列後面，這個過程較簡單，就沒體現到圖中，具體請看下面程式碼實現。
測試用例
同上一題。這裡就省略了。
編碼
- Java實現
private int[] v2_1_solution(int[] nums) {
if (nums == null || nums.length <= 1) {
return nums;
}
int st = 0;
int evenCount = 0;
int[] temp = new int[nums.length];
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
if (!isOdd(nums[i])) {
evenCount += 1;
temp[evenCount - 1] = nums[i];
} else {
if (st < i) {
// 將奇數依次放在原陣列前面
nums[st] = nums[i];
}
st++;
}
}
if (evenCount > 0) {
for (int i = st; i < nums.length; i++) {
nums[i] = temp[i - st];
}
}
return nums;
}
複製程式碼- C++實現
void v2_1_solution(int* nums,unsigned int len)
{
if (!nums || len <= 1) {
return;
}
int st = 0;
int evenCount = 0;
// 申請的記憶體空間temp
int temp[len];
for (int i = 0; i < len; i++) {
if (!isOdd(nums[i])) {
evenCount += 1;
temp[evenCount - 1] = nums[i];
} else {
if (st < i) {
// 將奇數依次放在原陣列前面
nums[st] = nums[i];
}
st++;
}
}
// 將temp中偶數取出放在原陣列後面
if (evenCount > 0) {
for (int i = st; i < len; i++) {
nums[i] = temp[i - st];
}
}
}
複製程式碼學習心得&解題套路
細心的讀者可能發現了，文中解題過程大致是這樣的：分析思路->測試用例->編碼->除錯並通過測試。你可能會問怎樣才能很好的掌握演算法程式設計呢？我的建議是：有事沒事刷道題吧。勤加練習，終成大神。哈哈，請輕拍。
關於解題思路（詳見劍指offer）
- 畫圖讓抽象問題形象化
- 舉例讓抽象問題具體化
- 分解讓複雜問題簡單化
各種資料結構及演算法書籍： 大話資料結構、劍指offer、演算法導論等等。 線上程式設計：LeetCode、牛客網、七月線上 菜鳥練手推薦：C++線上工具
總結
現在去大公司面試，都會有演算法題，所以不是你想不想掌握它，而是公司會通過它把一部分人淘汰掉，說的可能有點嚇人，但現實就是這樣操作的。文中所有程式碼均編譯執行並通過測試用例檢查，由於篇幅限制，程式碼沒有貼全，完整的可執行程式碼請點選連結獲取： github.com/yangjiantao…。 由於作者水平有限，文中錯誤之處在所難免，敬請讀者指正。