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前言
本题是经典的「荷兰国旗问题」,由计算机科学家 Edsger W. Dijkstra 首先提出。
根据题目中的提示,我们可以统计出数组中 $0, 1, 2$ 的个数,再根据它们的数量,重写整个数组。这种方法较为简单,也很容易想到,而本题解中会介绍两种基于指针进行交换的方法。
方法一:单指针
思路与算法
我们可以考虑对数组进行两次遍历。在第一次遍历中,我们将数组中所有的 $0$ 交换到数组的头部。在第二次遍历中,我们将数组中所有的 $1$ 交换到头部的 $0$ 之后。此时,所有的 $2$ 都出现在数组的尾部,这样我们就完成了排序。
具体地,我们使用一个指针 $\textit{ptr}$ 表示「头部」的范围,$\textit{ptr}$ 中存储了一个整数,表示数组 $\textit{nums}$ 从位置 $0$ 到位置 $\textit{ptr}-1$ 都属于「头部」。$\textit{ptr}$ 的初始值为 $0$,表示还没有数处于「头部」。
在第一次遍历中,我们从左向右遍历整个数组,如果找到了 $0$,那么就需要将 $0$ 与「头部」位置的元素进行交换,并将「头部」向后扩充一个位置。在遍历结束之后,所有的 $0$ 都被交换到「头部」的范围,并且「头部」只包含 $0$。
在第二次遍历中,我们从「头部」开始,从左向右遍历整个数组,如果找到了 $1$,那么就需要将 $1$ 与「头部」位置的元素进行交换,并将「头部」向后扩充一个位置。在遍历结束之后,所有的 $1$ 都被交换到「头部」的范围,并且都在 $0$ 之后,此时 $2$ 只出现在「头部」之外的位置,因此排序完成。
代码
###C++
class Solution {
public:
void sortColors(vector<int>& nums) {
int n = nums.size();
int ptr = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 0) {
swap(nums[i], nums[ptr]);
++ptr;
}
}
for (int i = ptr; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
swap(nums[i], nums[ptr]);
++ptr;
}
}
}
};
###Java
class Solution {
public void sortColors(int[] nums) {
int n = nums.length;
int ptr = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 0) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[ptr];
nums[ptr] = temp;
++ptr;
}
}
for (int i = ptr; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[ptr];
nums[ptr] = temp;
++ptr;
}
}
}
}
###Python
class Solution:
def sortColors(self, nums: List[int]) -> None:
n = len(nums)
ptr = 0
for i in range(n):
if nums[i] == 0:
nums[i], nums[ptr] = nums[ptr], nums[i]
ptr += 1
for i in range(ptr, n):
if nums[i] == 1:
nums[i], nums[ptr] = nums[ptr], nums[i]
ptr += 1
###Golang
func swapColors(colors []int, target int) (countTarget int) {
for i, c := range colors {
if c == target {
colors[i], colors[countTarget] = colors[countTarget], colors[i]
countTarget++
}
}
return
}
func sortColors(nums []int) {
count0 := swapColors(nums, 0) // 把 0 排到前面
swapColors(nums[count0:], 1) // nums[:count0] 全部是 0 了,对剩下的 nums[count0:] 把 1 排到前面
}
###C
void swap(int *a, int *b) {
int t = *a;
*a = *b, *b = t;
}
void sortColors(int *nums, int numsSize) {
int ptr = 0;
for (int i = 0; i < numsSize; ++i) {
if (nums[i] == 0) {
swap(&nums[i], &nums[ptr]);
++ptr;
}
}
for (int i = ptr; i < numsSize; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
swap(&nums[i], &nums[ptr]);
++ptr;
}
}
}
复杂度分析
方法二:双指针
思路与算法
方法一需要进行两次遍历,那么我们是否可以仅使用一次遍历呢?我们可以额外使用一个指针,即使用两个指针分别用来交换 $0$ 和 $1$。
具体地,我们用指针 $p_0$ 来交换 $0$,$p_1$ 来交换 $1$,初始值都为 $0$。当我们从左向右遍历整个数组时:
-
如果找到了 $1$,那么将其与 $\textit{nums}[p_1]$ 进行交换,并将 $p_1$ 向后移动一个位置,这与方法一是相同的;
-
如果找到了 $0$,那么将其与 $\textit{nums}[p_0]$ 进行交换,并将 $p_0$ 向后移动一个位置。这样做是正确的吗?我们可以注意到,因为连续的 $0$ 之后是连续的 $1$,因此如果我们将 $0$ 与 $\textit{nums}[p_0]$ 进行交换,那么我们可能会把一个 $1$ 交换出去。当 $p_0 < p_1$ 时,我们已经将一些 $1$ 连续地放在头部,此时一定会把一个 $1$ 交换出去,导致答案错误。因此,如果 $p_0 < p_1$,那么我们需要再将 $\textit{nums}[i]$ 与 $\textit{nums}[p_1]$ 进行交换,其中 $i$ 是当前遍历到的位置,在进行了第一次交换后,$\textit{nums}[i]$ 的值为 $1$,我们需要将这个 $1$ 放到「头部」的末端。在最后,无论是否有 $p_0 < p_1$,我们需要将 $p_0$ 和 $p_1$ 均向后移动一个位置,而不是仅将 $p_0$ 向后移动一个位置。
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代码
###C++
class Solution {
public:
void sortColors(vector<int>& nums) {
int n = nums.size();
int p0 = 0, p1 = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
swap(nums[i], nums[p1]);
++p1;
} else if (nums[i] == 0) {
swap(nums[i], nums[p0]);
if (p0 < p1) {
swap(nums[i], nums[p1]);
}
++p0;
++p1;
}
}
}
};
###Java
class Solution {
public void sortColors(int[] nums) {
int n = nums.length;
int p0 = 0, p1 = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[p1];
nums[p1] = temp;
++p1;
} else if (nums[i] == 0) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[p0];
nums[p0] = temp;
if (p0 < p1) {
temp = nums[i];
nums[i] = nums[p1];
nums[p1] = temp;
}
++p0;
++p1;
}
}
}
}
###Python
class Solution:
def sortColors(self, nums: List[int]) -> None:
n = len(nums)
p0 = p1 = 0
for i in range(n):
if nums[i] == 1:
nums[i], nums[p1] = nums[p1], nums[i]
p1 += 1
elif nums[i] == 0:
nums[i], nums[p0] = nums[p0], nums[i]
if p0 < p1:
nums[i], nums[p1] = nums[p1], nums[i]
p0 += 1
p1 += 1
###Golang
func sortColors(nums []int) {
p0, p1 := 0, 0
for i, c := range nums {
if c == 0 {
nums[i], nums[p0] = nums[p0], nums[i]
if p0 < p1 {
nums[i], nums[p1] = nums[p1], nums[i]
}
p0++
p1++
} else if c == 1 {
nums[i], nums[p1] = nums[p1], nums[i]
p1++
}
}
}
###C
void swap(int *a, int *b) {
int t = *a;
*a = *b, *b = t;
}
void sortColors(int *nums, int numsSize) {
int p0 = 0, p1 = 0;
for (int i = 0; i < numsSize; ++i) {
if (nums[i] == 1) {
swap(&nums[i], &nums[p1]);
++p1;
} else if (nums[i] == 0) {
swap(&nums[i], &nums[p0]);
if (p0 < p1) {
swap(&nums[i], &nums[p1]);
}
++p0;
++p1;
}
}
}
复杂度分析
方法三:双指针
思路与算法
与方法二类似,我们也可以考虑使用指针 $p_0$ 来交换 $0$,$p_2$ 来交换 $2$。此时,$p_0$ 的初始值仍然为 $0$,而 $p_2$ 的初始值为 $n-1$。在遍历的过程中,我们需要找出所有的 $0$ 交换至数组的头部,并且找出所有的 $2$ 交换至数组的尾部。
由于此时其中一个指针 $p_2$ 是从右向左移动的,因此当我们在从左向右遍历整个数组时,如果遍历到的位置超过了 $p_2$,那么就可以直接停止遍历了。
具体地,我们从左向右遍历整个数组,设当前遍历到的位置为 $i$,对应的元素为 $\textit{nums}[i]$;
这样做是正确的吗?可以发现,对于第二种情况,当我们将 $\textit{nums}[i]$ 与 $\textit{nums}[p_2]$ 进行交换之后,新的 $\textit{nums}[i]$ 可能仍然是 $2$,也可能是 $0$。然而此时我们已经结束了交换,开始遍历下一个元素 $\textit{nums}[i+1]$,不会再考虑 $\textit{nums}[i]$ 了,这样我们就会得到错误的答案。
因此,当我们找到 $2$ 时,我们需要不断地将其与 $\textit{nums}[p_2]$ 进行交换,直到新的 $\textit{nums}[i]$ 不为 $2$。此时,如果 $\textit{nums}[i]$ 为 $0$,那么对应着第一种情况;如果 $\textit{nums}[i]$ 为 $1$,那么就不需要进行任何后续的操作。
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代码
###C++
class Solution {
public:
void sortColors(vector<int>& nums) {
int n = nums.size();
int p0 = 0, p2 = n - 1;
for (int i = 0; i <= p2; ++i) {
while (i <= p2 && nums[i] == 2) {
swap(nums[i], nums[p2]);
--p2;
}
if (nums[i] == 0) {
swap(nums[i], nums[p0]);
++p0;
}
}
}
};
###Java
class Solution {
public void sortColors(int[] nums) {
int n = nums.length;
int p0 = 0, p2 = n - 1;
for (int i = 0; i <= p2; ++i) {
while (i <= p2 && nums[i] == 2) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[p2];
nums[p2] = temp;
--p2;
}
if (nums[i] == 0) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[p0];
nums[p0] = temp;
++p0;
}
}
}
}
###Python
class Solution:
def sortColors(self, nums: List[int]) -> None:
n = len(nums)
p0, p2 = 0, n - 1
i = 0
while i <= p2:
while i <= p2 and nums[i] == 2:
nums[i], nums[p2] = nums[p2], nums[i]
p2 -= 1
if nums[i] == 0:
nums[i], nums[p0] = nums[p0], nums[i]
p0 += 1
i += 1
###Golang
func sortColors(nums []int) {
p0, p2 := 0, len(nums)-1
for i := 0; i <= p2; i++ {
for ; i <= p2 && nums[i] == 2; p2-- {
nums[i], nums[p2] = nums[p2], nums[i]
}
if nums[i] == 0 {
nums[i], nums[p0] = nums[p0], nums[i]
p0++
}
}
}
###C
void swap(int *a, int *b) {
int t = *a;
*a = *b, *b = t;
}
void sortColors(int *nums, int numsSize) {
int p0 = 0, p2 = numsSize - 1;
for (int i = 0; i <= p2; ++i) {
while (i <= p2 && nums[i] == 2) {
swap(&nums[i], &nums[p2]);
--p2;
}
if (nums[i] == 0) {
swap(&nums[i], &nums[p0]);
++p0;
}
}
}
复杂度分析