代码训练LeetCode(23)随机访问元素

代码训练(23)LeetCode之随机访问元素

Author: Once Day Date: 2025年6月5日

漫漫长路，才刚刚开始…

全系列文章可参考专栏: 十年代码训练_Once-Day的博客-CSDN博客

参考文章:

• 380. O(1) 时间插入、删除和获取随机元素 - 力扣（LeetCode）
• 力扣 (LeetCode) 全球极客挚爱的技术成长平台

1. 原题

实现RandomizedSet 类：

• RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
• bool insert(int val) 当元素 val 不存在时，向集合中插入该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
• bool remove(int val) 当元素 val 存在时，从集合中移除该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
• int getRandom() 随机返回现有集合中的一项（测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素）。每个元素应该有 相同的概率 被返回。

你必须实现类的所有函数，并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1) 。

提示：

• -231 <= val <= 231 - 1
• 最多调用 insert、remove 和 getRandom 函数 2 * ``105 次
• 在调用 getRandom 方法时，数据结构中 至少存在一个 元素。

示例 1：

输入
["RandomizedSet", "insert", "remove", "insert", "getRandom", "remove", "insert", "getRandom"]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ，表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ，返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中，所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字，getRandom 总是返回 2 。

2. 分析

题目要求实现一个 RandomizedSet 类，该类包含以下方法：

1. RandomizedSet() - 初始化对象。
2. bool insert(int val) - 插入元素 val，如果元素不存在则插入并返回 true，否则返回 false。
3. bool remove(int val) - 移除元素 val，如果元素存在则移除并返回 true，否则返回 false。
4. int getRandom() - 随机返回集合中的一个元素。保证调用时集合中至少有一个元素，且每个元素有相同的被返回概率。

要求所有操作的平均时间复杂度为 O(1)。

为了满足该题目的要求，我们可以使用哈希表和数组组合的数据结构：

1. 数组：用于存储元素，支持 O(1) 时间复杂度的随机访问。
2. 哈希表：键为元素值，值为该元素在数组中的索引，支持 O(1) 时间复杂度的插入和删除操作。

方法实现细节：

插入 (insert):

• 检查哈希表中是否已存在该元素。如果存在，返回 false。
• 将元素添加到数组末尾，并在哈希表中记录该元素的索引。
• 返回 true。

删除 (remove):

• 检查哈希表中是否存在该元素。如果不存在，返回 false。
• 从数组中移除该元素，为了维持 O(1) 的复杂度，可以将数组最后一个元素移动到被删除元素的位置，并更新哈希表。
• 从哈希表中删除该元素，并更新数组的大小。
• 返回 true。

获取随机元素 (getRandom):

• 从数组中随机选择一个索引，然后返回该索引对应的元素。

性能优化关键点:

• 内存管理：合理分配和释放内存是关键，尤其是在 randomizedSetCreate 和 randomizedSetFree 函数中。
• 哈希冲突：避免哈希冲突可以提升性能，因此选择合适的哈希函数和冲突解决机制很重要。

3. 代码实现

struct entry {int val;int idx;struct entry* next;
};typedef struct {int size;                  // 当前元素数量int array[200000];         // 动态数组存储元素struct entry* map[100000]; // 哈希表存储元素到索引的映射
} RandomizedSet;RandomizedSet* randomizedSetCreate() {RandomizedSet* set = malloc(sizeof(RandomizedSet));memset(set, 0x0, sizeof(RandomizedSet));srand(time(NULL)); // 初始化随机种子return set;
}bool randomizedSetInsert(RandomizedSet* set, int val) {int key = val % 100000;struct entry** prev = &(set->map[key]);struct entry* item = set->map[key];while (item != NULL) {if (item->val == val) {return false;}prev = &(item->next);item = item->next;}item = malloc(sizeof(struct entry));item->val = val;item->next = NULL;item->idx = set->size;*prev = item;set->array[set->size] = val;set->size++;return true;
}bool randomizedSetRemove(RandomizedSet* set, int val) {int key = val % 100000;struct entry** prev = &(set->map[key]);struct entry* item = set->map[key];while (item != NULL) {if (item->val == val) {break;}prev = &(item->next);item = item->next;}if (item == NULL) {return false;}*prev = item->next;int idx = item->idx;free(item);if (idx == set->size - 1) {set->size--;return true;}int lastElement = set->array[set->size - 1];set->array[idx] = lastElement; // 将最后一个元素移动到被删除元素的位置set->size--;key = lastElement % 100000;item = set->map[key];while (item != NULL) {if (item->val == lastElement) {break;}item = item->next;}item->idx = idx;return true;
}int randomizedSetGetRandom(RandomizedSet* set) {int randomIndex = rand() % set->size;return set->array[randomIndex];
}void randomizedSetFree(RandomizedSet* set) {for (int i = 0; i < 100000; i++) {struct entry* item = set->map[i];while (item != NULL) {struct entry* temp = item->next;free(item);item = temp;}}free(set);
}

这段代码实现了一个 RandomizedSet 结构，它支持插入、删除、随机访问和销毁操作。下面分析每部分代码的功能和设计逻辑。

使用了两种数据结构：

• 数组 (array)：用于存储元素值，支持快速通过索引访问和随机访问。
• 哈希表 (map)：链地址法解决哈希冲突的哈希表，存储键为元素值，值为该元素在数组中的索引。

分配内存并初始化 RandomizedSet，其中 memset 用于初始化内存区域。

插入操作首先计算哈希键值，然后遍历链表检查元素是否已存在。如果不存在，创建新条目并加入链表和数组。

删除操作查找链表中的元素，然后从链表和数组中删除，同时更新相关元素的索引。

通过随机生成索引来从数组中获取元素。

释放哈希表中所有链表的内存以及 RandomizedSet 结构的内存。

4. 总结

这个题目主要考察数据结构的灵活应用和操作的优化。通过综合利用数组和哈希表，我们能够实现各种操作的平均 O(1) 时间复杂度。对于提升编程能力，重点是掌握各种数据结构的特点及其适用场景，以及如何根据需求选择和设计最合适的数据结构。

表和数组中删除，同时更新相关元素的索引。

通过随机生成索引来从数组中获取元素。

释放哈希表中所有链表的内存以及 RandomizedSet 结构的内存。