双指针法

双指针

双指针的过程：在遍历数组的过程中，定义两个相同方向或者相反方向的指针进行遍历，根据两个指针所在的数据进行处理，从而达到相应的目的。

 

首尾指针(对撞指针)

对撞指针是指在数组中，将最左侧的索引(0)定义为左指针(left)，最右侧的索引(数组长度-1)定义为右指针(right)，然后两个指针都向中间移动遍历数组。

适用场景：连续数组、字符串。

 

125. 验证回文串

https://leetcode-cn.com/problems/valid-palindrome/

给定一个字符串，验证它是否是回文串，只考虑字母和数字字符，可以忽略字母的大小写。

说明：本题中，我们将空字符串定义为有效的回文串。

 

示例 1:

输入: "A man, a plan, a canal: Panama"
输出: true
解释："amanaplanacanalpanama" 是回文串

示例 2:

输入: "race a car"
输出: false
解释："raceacar" 不是回文串
 

提示：

1 <= s.length <= 2 * 105
字符串 s 由 ASCII 字符组成

"""
使用双指针。初始时，左右指针分别指向 sgood 的两侧，随后我们不断地将这两个指针相向移动，每次移动一步，并判断这两个指针指向的字符是否相同。当这两个指针相遇时，就说明 sgood 是回文串。

isalnum() # 判断是否由数字或字母组成
isdigit() # 判断全部是由整数组成
isalpha() # 判断是否全部由字母组成
"""

class Solution:
    def isPalindrome(self, s: str) -> bool:
        # 去除标点空格等,判断是否由数字或字母组成
        sgood = "".join(ch.lower() for ch in s if ch.isalnum())

        left, right = 0,  len(sgood) - 1
        
        while left < right:
            if sgood[left] != sgood[right]:
                return False
            left, right = left + 1, right - 1
        return True

 

167. 两数之和 II - 输入有序数组

https://leetcode-cn.com/problems/two-sum-ii-input-array-is-sorted/

给定一个已按照 非递减顺序排列  的整数数组 numbers ，请你从数组中找出两个数满足相加之和等于目标数 target 。

函数应该以长度为 2 的整数数组的形式返回这两个数的下标值。numbers 的下标 从 1 开始计数 ，所以答案数组应当满足 1 <= answer[0] < answer[1] <= numbers.length 。

你可以假设每个输入 只对应唯一的答案 ，而且你 不可以 重复使用相同的元素。

 
示例 1：

输入：numbers = [2,7,11,15], target = 9
输出：[1,2]
解释：2 与 7 之和等于目标数 9 。因此 index1 = 1, index2 = 2 。

示例 2：

输入：numbers = [2,3,4], target = 6
输出：[1,3]

示例 3：

输入：numbers = [-1,0], target = -1
输出：[1,2]
 

提示：

2 <= numbers.length <= 3 * 104
-1000 <= numbers[i] <= 1000
numbers 按 非递减顺序 排列
-1000 <= target <= 1000
仅存在一个有效答案

"""
初始时两个指针分别指向第一个元素位置和最后一个元素的位置。每次计算两个指针指向的两个元素之和，并和目标值比较。如果两个元素之和等于目标值，则发现了唯一解。如果两个元素之和小于目标值，则将左侧指针右移一位。如果两个元素之和大于目标值，则将右侧指针左移一位。移动指针之后，重复上述操作，直到找到答案
"""

class Solution:
    def twoSum(self, numbers: List[int], target: int) -> List[int]:
        left, right = 0, len(numbers) - 1

        while left < right:
            if numbers[left] + numbers[right] > target:
                right -= 1
            elif numbers[left] + numbers[right] < target:
                left += 1
            else:
                return [left + 1, right + 1]
        return [-1, -1]

 

11. 盛最多水的容器

https://leetcode-cn.com/problems/container-with-most-water/

给你 n 个非负整数 a1，a2，...，an，每个数代表坐标中的一个点 (i, ai) 。在坐标内画 n 条垂直线，垂直线 i 的两个端点分别为 (i, ai) 和 (i, 0) 。找出其中的两条线，使得它们与 x 轴共同构成的容器可以容纳最多的水。

说明：你不能倾斜容器。

 

示例 1：

 

输入：[1,8,6,2,5,4,8,3,7]
输出：49
解释：图中垂直线代表输入数组 [1,8,6,2,5,4,8,3,7]。在此情况下，容器能够容纳水（表示为蓝色部分）的最大值为 49。

示例 2：

输入：height = [1,1]
输出：1

示例 3：

输入：height = [4,3,2,1,4]
输出：16

示例 4：

输入：height = [1,2,1]
输出：2
 

提示：

n == height.length
2 <= n <= 105
0 <= height[i] <= 104

"""
本题是一道经典的面试题，最优的做法是使用「双指针」。如果读者第一次看到这题，不一定能想出双指针的做法。
我们先从题目中的示例开始，一步一步地解释双指针算法的过程。稍后再给出算法正确性的证明。

题目中的示例为：
[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]
在初始时，左右指针分别指向数组的左右两端，它们可以容纳的水量为 min(1, 7) * 8 = 8  # 8是下标的长度，即宽。

此时我们需要移动一个指针。移动哪一个呢？直觉告诉我们，应该移动对应数字较小的那个指针（即此时的左指针）。
这是因为，由于容纳的水量是由：

两个指针指向的数字中较小值 * 指针之间的距离 决定的。

如果我们移动数字较大的那个指针，那么前者「两个指针指向的数字中较小值」不会增加，后者「指针之间的距离」会减小，
那么这个乘积会减小。因此，我们移动数字较大的那个指针是不合理的。因此，我们移动 数字较小的那个指针。

所以，我们将左指针向右移动：
[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]
    ^                    ^
此时可以容纳的水量为 min(8,7)*7=49。由于右指针对应的数字较小，我们移动右指针：
[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]
    ^                 ^
此时可以容纳的水量为 min(8,3)*6=18。由于右指针对应的数字较小，我们移动右指针：
[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]
    ^              ^
此时可以容纳的水量为 min(8,8)*5=40。两指针对应的数字相同，我们可以任意移动一个，例如左指针：
[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]
       ^           ^
此时可以容纳的水量为 min(6,8)*4=24。由于左指针对应的数字较小，我们移动左指针

按这个规律一直移动指针，直到两个指针重合。

在我们移动指针的过程中，计算到的最多可以容纳的数量为 49，即为最终的答案。
"""

class Solution:
    def maxArea(self, height: List[int]) -> int:
        max_area = 0
        left, right = 0, len(height) - 1

        while left < right:
            if height[left] <= height[right]:
                area = height[left] * (right - left)
                max_area = max(max_area, area)
                left += 1
            else:
                area = height[right] * (right - left)
                max_area = max(max_area, area)
                right -= 1
        return max_area

 

快慢指针

快慢指针：两个指针从同一侧开始遍历数组，将这两个指针分别定义为快指针（fast）和慢指针（slow），
两个指针以不同的策略移动，直到两个指针的值相等（或其他特殊条件）为止，如 fast 每次增长两个，slow 每次增长一个。

 

141. 环形链表

https://leetcode-cn.com/problems/linked-list-cycle/

给定一个链表，判断链表中是否有环。

如果链表中有某个节点，可以通过连续跟踪 next 指针再次到达，则链表中存在环。 为了表示给定链表中的环，我们使用整数 pos 来表示链表尾连接到链表中的位置（索引从 0 开始）。 如果 pos 是 -1，则在该链表中没有环。注意：pos 不作为参数进行传递，仅仅是为了标识链表的实际情况。

如果链表中存在环，则返回 true 。 否则，返回 false 。

 

进阶：

你能用 O(1)（即，常量）内存解决此问题吗？

 

示例 1：

 

输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

示例 2：

 

输入：head = [1,2], pos = 0
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

示例 3：

 

输入：head = [1], pos = -1
输出：false
解释：链表中没有环。
 

提示：

链表中节点的数目范围是 [0, 104]
-105 <= Node.val <= 105
pos 为 -1 或者链表中的一个 有效索引 。

方法1：遍历

"""
最容易想到的方法是遍历所有节点，每次遍历到一个节点时，判断该节点此前是否被访问过。
具体地，我们可以使用哈希表来存储所有已经访问过的节点。每次我们到达一个节点，如果该节点已经存在于哈希表中，则说明该链表是环形链表，否则就将该节点加入哈希表中。重复这一过程，直到我们遍历完整个链表即可。
"""

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        seen = set()
        while head:
            if head in seen:
                return True
            seen.add(head)
            head = head.next
        return False

 

方法2：快慢指针

"""
本方法需要读者对「Floyd 判圈算法」（又称龟兔赛跑算法）有所了解。

假想「乌龟」和「兔子」在链表上移动，「兔子」跑得快，「乌龟」跑得慢。当「乌龟」和「兔子」从链表上的同一个节点开始移动时，如果该链表中没有环，那么「兔子」将一直处于「乌龟」的前方；如果该链表中有环，那么「兔子」会先于「乌龟」进入环，并且一直在环内移动。等到「乌龟」进入环时，由于「兔子」的速度快，它一定会在某个时刻与乌龟相遇，即套了「乌龟」若干圈。

我们可以根据上述思路来解决本题。具体地，我们定义两个指针，一快一满。慢指针每次只移动一步，而快指针每次移动两步。初始时，慢指针在位置 head，而快指针在位置 head.next。这样一来，如果在移动的过程中，快指针反过来追上慢指针，就说明该链表为环形链表。否则快指针将到达链表尾部，该链表不为环形链表。

为什么我们要规定初始时慢指针在位置 head，快指针在位置 head.next，而不是两个指针都在位置 head（即与「乌龟」和「兔子」中的叙述相同）？

观察下面的代码，我们使用的是 while 循环，循环条件先于循环体。由于循环条件一定是判断快慢指针是否重合，如果我们将两个指针初始都置于 head，那么 while 循环就不会执行。因此，我们可以假想一个在 head 之前的虚拟节点，慢指针从虚拟节点移动一步到达 head，快指针从虚拟节点移动两步到达 head.next，这样我们就可以使用 while 循环了。

当然，我们也可以使用 do-while 循环。此时，我们就可以把快慢指针的初始值都置为 head。
"""
# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        if not head or not head.next:
            return False
        
        slow = head
        fast = head.next

        while slow != fast:
            if not fast or not fast.next:
                # 无环的时候，快指针能够到达连表末尾
                return False
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
        return True

 

26. 删除有序数组中的重复项

https://leetcode-cn.com/problems/remove-duplicates-from-sorted-array/

给你一个有序数组 nums ，请你 原地 删除重复出现的元素，使每个元素 只出现一次 ，返回删除后数组的新长度。

不要使用额外的数组空间，你必须在 原地 修改输入数组 并在使用 O(1) 额外空间的条件下完成。

 

说明:

为什么返回数值是整数，但输出的答案是数组呢?

请注意，输入数组是以「引用」方式传递的，这意味着在函数里修改输入数组对于调用者是可见的。

你可以想象内部操作如下:

// nums 是以“引用”方式传递的。也就是说，不对实参做任何拷贝
int len = removeDuplicates(nums);

// 在函数里修改输入数组对于调用者是可见的。
// 根据你的函数返回的长度, 它会打印出数组中 该长度范围内 的所有元素。
for (int i = 0; i < len; i++) {
    print(nums[i]);
}
 
示例 1：

输入：nums = [1,1,2]
输出：2, nums = [1,2]
解释：函数应该返回新的长度 2 ，并且原数组 nums 的前两个元素被修改为 1, 2 。不需要考虑数组中超出新长度后面的元素。
示例 2：

输入：nums = [0,0,1,1,1,2,2,3,3,4]
输出：5, nums = [0,1,2,3,4]
解释：函数应该返回新的长度 5 ， 并且原数组 nums 的前五个元素被修改为 0, 1, 2, 3, 4 。不需要考虑数组中超出新长度后面的元素。
 

提示：

0 <= nums.length <= 3 * 104
-104 <= nums[i] <= 104
nums 已按升序排列

"""
这道题目的要求是：对给定的有序数组 nums 删除重复元素，在删除重复元素之后，每个元素只出现一次，并返回新的长度，上述操作必须通过原地修改数组的方法，使用 O(1) 的空间复杂度完成。

由于给定的数组 nums 是有序的，因此对于任意 i<j，如果 nums[i]=nums[j]，则对任意 i≤k≤j，必有 nums[i]=nums[k]=nums[j]，即相等的元素在数组中的下标一定是连续的。利用数组有序的特点，可以通过双指针的方法删除重复元素。

如果数组 nums 的长度为 0，则数组不包含任何元素，因此返回 0。

当数组 nums 的长度大于 0 时，数组中至少包含一个元素，在删除重复元素之后也至少剩下一个元素，因此 nums[0] 保持原状即可，从下标 1 开始删除重复元素。

定义两个指针fast 和 slow 分别为快指针和慢指针，快指针表示遍历数组到达的下标位置，慢指针表示下一个不同元素要填入的下标位置，初始时两个指针都指向下标 1。

假设数组 nums 的长度为 n。将快指针 fast 依次遍历从 1 到 n−1 的每个位置，对于每个位置，如果 nums[fast] != nums[fast-1]

说明 nums[fast] 和之前的元素都不同，因此将 nums[fast] 的值复制到 nums[slow]，然后将 slow 的值加 1，即指向下一个位置。

遍历结束之后，从nums[0] 到 nums[slow−1] 的每个元素都不相同且包含原数组中的每个不同的元素，因此新的长度即为 slow，返回 slow 即可。

"""
class Solution:
    def removeDuplicates(self, nums: List[int]) -> int:
        if not nums:
            return 0
        
        n = len(nums)
        fast = slow = 1

        while fast < n:
            if nums[fast] != nums[fast - 1]:
                nums[slow] = nums[fast]
                slow += 1
            fast += 1
        return slow

 

80. 删除有序数组中的重复项 II

https://leetcode-cn.com/problems/remove-duplicates-from-sorted-array-ii/

给你一个有序数组 nums ，请你 原地 删除重复出现的元素，使每个元素 最多出现两次 ，返回删除后数组的新长度。

不要使用额外的数组空间，你必须在 原地 修改输入数组 并在使用 O(1) 额外空间的条件下完成。

 

说明：

为什么返回数值是整数，但输出的答案是数组呢？

请注意，输入数组是以「引用」方式传递的，这意味着在函数里修改输入数组对于调用者是可见的。

你可以想象内部操作如下:

// nums 是以“引用”方式传递的。也就是说，不对实参做任何拷贝
int len = removeDuplicates(nums);

// 在函数里修改输入数组对于调用者是可见的。
// 根据你的函数返回的长度, 它会打印出数组中 该长度范围内 的所有元素。
for (int i = 0; i < len; i++) {
    print(nums[i]);
}
 

示例 1：

输入：nums = [1,1,1,2,2,3]
输出：5, nums = [1,1,2,2,3]
解释：函数应返回新长度 length = 5, 并且原数组的前五个元素被修改为 1, 1, 2, 2, 3 。 不需要考虑数组中超出新长度后面的元素。

示例 2：

输入：nums = [0,0,1,1,1,1,2,3,3]
输出：7, nums = [0,0,1,1,2,3,3]
解释：函数应返回新长度 length = 7, 并且原数组的前五个元素被修改为 0, 0, 1, 1, 2, 3, 3 。 不需要考虑数组中超出新长度后面的元素。
 

提示：

1 <= nums.length <= 3 * 104
-104 <= nums[i] <= 104
nums 已按升序排列

"""
因为给定数组是有序的，所以相同元素必然连续。我们可以使用双指针解决本题，遍历数组检查每一个元素是否应该被保留，如果应该被保留，就将其移动到指定位置。
具体地，我们定义两个指针 slow 和 fast 分别为慢指针和快指针，其中慢指针表示处理出的数组的长度，快指针表示已经检查过的数组的长度，即 nums[fast] 表示待检查的第一个元素，nums[slow−1] 为上一个应该被保留的元素所移动到的指定位置。

因为本题要求相同元素最多出现两次而非一次，所以我们需要检查上上个应该被保留的元素 nums[slow−2] 是否和当前待检查元素 nums[fast] 相同。

当且仅当 nums[slow−2]=nums[fast] 时，当前待检查元素 nums[fast] 不应该被保留（因为此时必然有 nums[slow−2]=nums[slow−1]=nums[fast]）。最后 slow 即为处理好的数组的长度。

特别地，数组的前两个数必然可以被保留，因此对于长度不超过 2 的数组，我们无需进行任何处理，对于长度超过 2 的数组，我们直接将双指针的初始值设为 2 即可。
"""
class Solution:
    def removeDuplicates(self, nums: List[int]) -> int:
        n = len(nums)
        if n < 3:
            return n

        fast = slow = 2

        while fast < n:
            if nums[fast] != nums[slow - 2]:
                nums[slow] = nums[fast]
                slow += 1

            fast += 1
        return slow