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【环形数组技巧及实现】

2025/2/22 2:03:57 来源:https://blog.csdn.net/weixin_42333261/article/details/145670307  浏览:    关键词:【环形数组技巧及实现】

一、环形数组原理

环形数组技巧利用求模(余数)运算(5%2=1),将普通数组变成逻辑上的环形数组,可以让我们用 O(1) 的时间在数组头部增删元素。

# 长度为 5 的数组
arr = [1, 2, 3, 4, 5]
i = 0
# 模拟环形数组,这个循环永远不会结束
while i < len(arr):print(arr[i])i = (i + 1) % len(arr)

环形数组的原理就是取余,当 i+1为数组的最后一个元素的时候, i+1 对 len(arr)取模,就成了0,然后会重新进入数组的头部,就在逻辑上形成了一个环形数组

环形数组的关键在于,它维护了两个指针 start 和 endstart 指向第一个有效元素的索引,end 指向最后一个有效元素的下一个位置索引。

这样,当我们在数组头部添加或删除元素时,只需要移动 start 索引,而在数组尾部添加或删除元素时,只需要移动 end 索引。

当 start, end 移动超出数组边界(< 0 或 >= arr.length)时,我们可以通过求模运算 % 让它们转一圈到数组头部或尾部继续工作,这样就实现了环形数组的效果。

二、应用

一般只会在双端队列这种场景下使用环形数组,标准的动态数组并没有使用这个技巧。

循环数组的特点是,当数组的末尾被填满时,可以循环回到数组的开头继续使用空间。

环形数组的区间被定义为左闭右开的,即 [start, end) 区间包含数组元素

理论上,你可以随意设计区间的开闭,但一般设计为左闭右开区间是最方便处理的

理论上,你可以随意设计区间的开闭,但一般设计为左闭右开区间是最方便处理的。因为这样初始化 start = end = 0 时,区间 [0, 0) 中没有元素,但只要让 end 向右移动(扩大)一位,区间 [0, 1) 就包含一个元素 0 了。如果你设置为两端都开的区间,
那么让 end 向右移动一位后开区间 (0, 1) 仍然没有元素;如果你设置为两端都闭的区间,
那么初始区间 [0, 0] 就已经包含了一个元素。这两种情况都会给边界处理带来不必要的麻烦,如果你非要使用的话,需要在代码中做一些特殊处理。

在数组增删头部元素的时间复杂度是 O(N),因为需要搬移元素。

但是,如果我们使用环形数组,其实是可以实现在 O(1)的时间复杂度内增删头部元素的。 

环形数组也可以删除指定索引的元素,也要做数据搬移,和普通数组一样,复杂度是 O(N)

环形数组也可以获取指定索引的元素(随机访问),只不过不是直接访问对应索引,而是要通过 start 计算出真实索引,但计算和访问的时间复杂度依然是 O(1)

环形数组也可以在指定索引插入元素,当然也要做数据搬移,和普通数组一样,复杂度是 O(N)

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