| 
 | 1 | +### 题目描述  | 
 | 2 | + | 
 | 3 | +这是 LeetCode 上的 **[239. 滑动窗口最大值]()** ,难度为 **困难**。  | 
 | 4 | + | 
 | 5 | +Tag : 「优先队列(堆)」、「线段树」、「分块」、「单调队列」、「RMQ」  | 
 | 6 | + | 
 | 7 | + | 
 | 8 | + | 
 | 9 | +给你一个整数数组 `nums`,有一个大小为 `k` 的滑动窗口从数组的最左侧移动到数组的最右侧。你只可以看到在滑动窗口内的 `k` 个数字。滑动窗口每次只向右移动一位。  | 
 | 10 | + | 
 | 11 | +返回滑动窗口中的最大值 。  | 
 | 12 | + | 
 | 13 | +示例 1:  | 
 | 14 | +```  | 
 | 15 | +输入:nums = [1,3,-1,-3,5,3,6,7], k = 3  | 
 | 16 | + | 
 | 17 | +输出:[3,3,5,5,6,7]  | 
 | 18 | + | 
 | 19 | +解释:  | 
 | 20 | +滑动窗口的位置 最大值  | 
 | 21 | +--------------- -----  | 
 | 22 | +[1 3 -1] -3 5 3 6 7 3  | 
 | 23 | + 1 [3 -1 -3] 5 3 6 7 3  | 
 | 24 | + 1 3 [-1 -3 5] 3 6 7 5  | 
 | 25 | + 1 3 -1 [-3 5 3] 6 7 5  | 
 | 26 | + 1 3 -1 -3 [5 3 6] 7 6  | 
 | 27 | + 1 3 -1 -3 5 [3 6 7] 7  | 
 | 28 | +```  | 
 | 29 | +示例 2:  | 
 | 30 | +```  | 
 | 31 | +输入:nums = [1], k = 1  | 
 | 32 | + | 
 | 33 | +输出:[1]  | 
 | 34 | +```  | 
 | 35 | + | 
 | 36 | +提示:  | 
 | 37 | +* 1ドル <= nums.length <= 10^5$  | 
 | 38 | +* $-10^4 <= nums[i] <= 10^4$  | 
 | 39 | +* 1ドル <= k <= nums.length$  | 
 | 40 | + | 
 | 41 | +---  | 
 | 42 | + | 
 | 43 | +### 优先队列(堆)  | 
 | 44 | + | 
 | 45 | +根据题意,容易想到优先队列(大根堆),同时为了确保滑动窗口的大小合法性,我们以二元组 $(idx, nums[idx])$ 的形式进行入队。  | 
 | 46 | + | 
 | 47 | +当下标达到首个滑动窗口的右端点后,每次尝试从优先队列(大根堆)中取出最大值(若堆顶元素的下标小于当前滑动窗口左端点时,则丢弃该元素)。  | 
 | 48 | + | 
 | 49 | +代码:  | 
 | 50 | +```Java   | 
 | 51 | +class Solution {  | 
 | 52 | + public int[] maxSlidingWindow(int[] nums, int k) {  | 
 | 53 | + PriorityQueue<int[]> q = new PriorityQueue<>((a,b)->b[1]-a[1]);  | 
 | 54 | + int n = nums.length, m = n - k + 1, idx = 0;  | 
 | 55 | + int[] ans = new int[m];  | 
 | 56 | + for (int i = 0; i < n; i++) {  | 
 | 57 | + q.add(new int[]{i, nums[i]});  | 
 | 58 | + if (i >= k - 1) {  | 
 | 59 | + while (q.peek()[0] <= i - k) q.poll();  | 
 | 60 | + ans[idx++] = q.peek()[1];  | 
 | 61 | + }  | 
 | 62 | + }  | 
 | 63 | + return ans;  | 
 | 64 | + }  | 
 | 65 | +}  | 
 | 66 | +```  | 
 | 67 | +* 时间复杂度:$O(n\log{n})$  | 
 | 68 | +* 空间复杂度:$O(n)$  | 
 | 69 | + | 
 | 70 | +---  | 
 | 71 | + | 
 | 72 | +### 线段树   | 
 | 73 | + | 
 | 74 | +容易将问题转换为「区间求和」问题:使用原始的 `nums` 构建线段树等价于在位置 $i$ 插入 $nums[i],ドル即单点操作,而查询每个滑动窗口最大值,则对应的区间查询。  | 
 | 75 | + | 
 | 76 | +由于只涉及单点修改,无须实现懒标记 `pushdown` 操作,再结合 $n$ 的数据范围为 10ドル^5,ドル无须进行动态开点。  | 
 | 77 | + | 
 | 78 | +直接写 `build` 四倍空间的线段树数组实现即可。  | 
 | 79 | + | 
 | 80 | +代码:  | 
 | 81 | +```Java   | 
 | 82 | +class Solution {  | 
 | 83 | + class Node {  | 
 | 84 | + int l, r, val;  | 
 | 85 | + Node (int _l, int _r) {  | 
 | 86 | + l = _l; r = _r; val = Integer.MIN_VALUE;  | 
 | 87 | + }  | 
 | 88 | + }  | 
 | 89 | + Node[] tr = new Node[100010 * 4];  | 
 | 90 | + void build(int u, int l, int r) {  | 
 | 91 | + tr[u] = new Node(l, r);  | 
 | 92 | + if (l == r) return ;  | 
 | 93 | + int mid = l + r >> 1;  | 
 | 94 | + build(u << 1, l, mid);  | 
 | 95 | + build(u << 1 | 1, mid + 1, r);  | 
 | 96 | + }  | 
 | 97 | + void update(int u, int x, int v) {  | 
 | 98 | + if (tr[u].l == x && tr[u].r == x) {  | 
 | 99 | + tr[u].val = Math.max(tr[u].val, v);  | 
 | 100 | + return ;  | 
 | 101 | + }  | 
 | 102 | + int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1;  | 
 | 103 | + if (x <= mid) update(u << 1, x, v);  | 
 | 104 | + else update(u << 1 | 1, x, v);  | 
 | 105 | + pushup(u);  | 
 | 106 | + }  | 
 | 107 | + int query(int u, int l, int r) {  | 
 | 108 | + if (l <= tr[u].l && tr[u].r <= r) return tr[u].val;  | 
 | 109 | + int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1, ans = Integer.MIN_VALUE;  | 
 | 110 | + if (l <= mid) ans = query(u << 1, l, r);  | 
 | 111 | + if (r > mid) ans = Math.max(ans, query(u << 1 | 1, l, r));  | 
 | 112 | + return ans;  | 
 | 113 | + }  | 
 | 114 | + void pushup(int u) {  | 
 | 115 | + tr[u].val = Math.max(tr[u << 1].val, tr[u << 1 | 1].val);  | 
 | 116 | + }  | 
 | 117 | + public int[] maxSlidingWindow(int[] nums, int k) {  | 
 | 118 | + int n = nums.length, m = n - k + 1;  | 
 | 119 | + int[] ans = new int[m];  | 
 | 120 | + build(1, 1, n);  | 
 | 121 | + for (int i = 0; i < n; i++) update(1, i + 1, nums[i]);  | 
 | 122 | + for (int i = k; i <= n; i++) ans[i - k] = query(1, i - k + 1, i);  | 
 | 123 | + return ans;  | 
 | 124 | + }  | 
 | 125 | +}  | 
 | 126 | +```  | 
 | 127 | +* 时间复杂度:建立线段树复杂度为 $O(n\log{n})$;构建答案复杂度为 $O(n\log{n})$。整体复杂度为 $O(n\log{n})$  | 
 | 128 | +* 空间复杂度:$O(n)$  | 
 | 129 | + | 
 | 130 | +---  | 
 | 131 | + | 
 | 132 | +### 分块  | 
 | 133 | + | 
 | 134 | +另外一个做法是分块,又名「优雅的暴力」,也是莫队算法的基础。  | 
 | 135 | + | 
 | 136 | +具体的,除了给定的 `nums` 以外,我们构建一个分块数组 `region`,其中 `region[idx] = x` 含义为块编号为 `idx` 的最大值为 `x`,其中一个块对应一个原始区间 $[l, r]$。  | 
 | 137 | + | 
 | 138 | +如何定义块大小是实现分块算法的关键。  | 
 | 139 | + | 
 | 140 | +对于本题,本质是求若干个大小为 $k$ 的区间最大值。  | 
 | 141 | + | 
 | 142 | +我们可以设定块大小为 $\sqrt{k},ドル这样所需创建的分块数组大小为 $\frac{n}{\sqrt{k}}$。分块数组的更新操作为 $O(1),ドル而查询则为 $\sqrt{k}$。  | 
 | 143 | + | 
 | 144 | +容易证明查询操作的复杂度:对于每个长度为 $k$ 的 $[l, r]$ 查询操作而言,最多遍历两个(左右端点对应的块)的块内元素,复杂度为 $O(\sqrt{k}),ドル同时最多遍历 $\sqrt{k}$ 个块,复杂度同为 $O(\sqrt{k})$。  | 
 | 145 | + | 
 | 146 | +因此最多两步复杂度为 $O(\sqrt{k})$ 的块内操作,最多 $\sqrt{k}$ 步复杂度为 $O(1)$ 的块间操作,整体复杂度为 $O(\sqrt{k})$。  | 
 | 147 | + | 
 | 148 | +因此使用分块算法总的计算量为 $n\times\sqrt{k} = 10^6,ドル可以过。  | 
 | 149 | + | 
 | 150 | +分块算法的几个操作函数:  | 
 | 151 | + | 
 | 152 | +* `int getIdx(int x)` :计算原始下标对应的块编号;  | 
 | 153 | +* `void add(int x, int v)` :计算原始下标 `x` 对应的下标 `idx`,并将 `region[idx]` 和 `v` 取 `max` 来更新 `region[idx]`;  | 
 | 154 | +* `int query(int l, int r)` :查询 $[l, r]$ 中的最大值,如果 $l$ 和 $r$ 所在块相同,直接遍历 $[l, r]$ 进行取值;若 $l$ 和 $r$ 不同块,则处理 $l$ 和 $r$ 对应的块内元素后,对块编号在 $(getIdx(l), getIdx(r))$ 之间的块进行遍历。  | 
 | 155 | + | 
 | 156 | +代码:  | 
 | 157 | +```Java   | 
 | 158 | +class Solution {  | 
 | 159 | + int n, m, len;  | 
 | 160 | + int[] nums, region;  | 
 | 161 | + int getIdx(int x) {  | 
 | 162 | + return x / len;  | 
 | 163 | + }  | 
 | 164 | + void add(int x, int v) {  | 
 | 165 | + region[getIdx(x)] = Math.max(region[getIdx(x)], v);  | 
 | 166 | + }  | 
 | 167 | + int query(int l, int r) {  | 
 | 168 | + int ans = Integer.MIN_VALUE;  | 
 | 169 | + if (getIdx(l) == getIdx(r)) {  | 
 | 170 | + for (int i = l; i <= r; i++) ans = Math.max(ans, nums[i]);  | 
 | 171 | + } else {  | 
 | 172 | + int i = l, j = r;  | 
 | 173 | + while (getIdx(i) == getIdx(l)) ans = Math.max(ans, nums[i++]);  | 
 | 174 | + while (getIdx(j) == getIdx(r)) ans = Math.max(ans, nums[j--]);  | 
 | 175 | + for (int k = getIdx(i); k <= getIdx(j); k++) ans = Math.max(ans, region[k]);  | 
 | 176 | + }  | 
 | 177 | + return ans;  | 
 | 178 | + }  | 
 | 179 | + public int[] maxSlidingWindow(int[] _nums, int k) {  | 
 | 180 | + nums = _nums;  | 
 | 181 | + n = nums.length; len = (int) Math.sqrt(k); m = n / len + 10;  | 
 | 182 | + region = new int[m];  | 
 | 183 | + Arrays.fill(region, Integer.MIN_VALUE);  | 
 | 184 | + for (int i = 0; i < n; i++) add(i, nums[i]);  | 
 | 185 | + int[] ans = new int[n - k + 1];  | 
 | 186 | + for (int i = 0; i < n - k + 1; i++) ans[i] = query(i, i + k - 1);  | 
 | 187 | + return ans;  | 
 | 188 | + }  | 
 | 189 | +}  | 
 | 190 | +```  | 
 | 191 | +* 时间复杂度:数组大小为 $n,ドル块大小为 $\sqrt{k},ドル分块数组大小为 $\frac{n}{\sqrt{k}}$。预处理分块数组复杂度为 $O(n)$(即 `add` 操作复杂度为 $O(1)$ );构造答案复杂度为 $O(n\times\sqrt{k})$(即 `query` 操作复杂度为 $O(\sqrt{k}),ドル最多有 $n$ 次查询)  | 
 | 192 | +* 空间复杂度:$\frac{n}{\sqrt{k}}$  | 
 | 193 | + | 
 | 194 | +---  | 
 | 195 | + | 
 | 196 | +### 单调队列  | 
 | 197 | + | 
 | 198 | +关于 `RMQ` 的另外一个优秀做法通常是使用「单调队列/单调栈」。  | 
 | 199 | + | 
 | 200 | +当然,我们也能不依靠经验,而从问题的本身出发,逐步分析出该做法。  | 
 | 201 | + | 
 | 202 | +假设我们当前处理到某个长度为 $k$ 的窗口,此时窗口往后滑动一格,会导致后一个数(新窗口的右端点)添加进来,同时会导致前一个数(旧窗口的左端点)移出窗口。  | 
 | 203 | + | 
 | 204 | +随着窗口的不断平移,该过程会一直发生。**若同一时刻存在两个数 $nums[j]$ 和 $nums[i]$($j < i$)所在一个窗口内,下标更大的数会被更晚移出窗口,此时如果有 $nums[j] <= nums[i]$ 的话,可以完全确定 $nums[j]$ 将不会成为后续任何一个窗口的最大值,此时可以将必然不会是答案的 $nums[j]$ 从候选中进行移除**。  | 
 | 205 | + | 
 | 206 | +不难发现,当我们将所有必然不可能作为答案的元素(即所有满足的小于等于 $nums[i]$ )移除后,候选集合满足「单调递减」特性,即集合首位元素为当前窗口中的最大值(为了满足窗口长度为 $k$ 的要求,在从集合头部取答案时需要先将下标小于的等于的 $i - k$ 的元素移除)。  | 
 | 207 | + | 
 | 208 | +为方便从尾部添加元素,从头部获取答案,我们可使用「双端队列」存储所有候选元素。  | 
 | 209 | + | 
 | 210 | +代码:  | 
 | 211 | +```Java   | 
 | 212 | +class Solution {  | 
 | 213 | + public int[] maxSlidingWindow(int[] nums, int k) {  | 
 | 214 | + Deque<Integer> d = new ArrayDeque<>();  | 
 | 215 | + int n = nums.length, m = n - k + 1;  | 
 | 216 | + int[] ans = new int[m];  | 
 | 217 | + for (int i = 0; i < n; i++) {  | 
 | 218 | + while (!d.isEmpty() && nums[d.peekLast()] <= nums[i]) d.pollLast();  | 
 | 219 | + d.addLast(i);  | 
 | 220 | + if (i >= k - 1) {  | 
 | 221 | + while (!d.isEmpty() && d.peekFirst() <= i - k) d.pollFirst();  | 
 | 222 | + ans[i - k + 1] = nums[d.peekFirst()];  | 
 | 223 | + }  | 
 | 224 | + }  | 
 | 225 | + return ans;  | 
 | 226 | + }  | 
 | 227 | +}  | 
 | 228 | +```  | 
 | 229 | +* 时间复杂度:$O(n)$  | 
 | 230 | +* 空间复杂度:$O(n)$  | 
 | 231 | + | 
 | 232 | +---  | 
 | 233 | + | 
 | 234 | +### 最后  | 
 | 235 | + | 
 | 236 | +这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 `No.239` 篇,系列开始于 2021年01月01日,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。  | 
 | 237 | + | 
 | 238 | +在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。  | 
 | 239 | + | 
 | 240 | +为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码,我建立了相关的仓库:https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。  | 
 | 241 | + | 
 | 242 | +在仓库地址里,你可以看到系列文章的题解链接、系列文章的相应代码、LeetCode 原题链接和其他优选题解。  | 
 | 243 | + | 
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