--- comments: true --- # 10.4   雜湊最佳化策略 在演算法題中,**我們常透過將線性查詢替換為雜湊查詢來降低演算法的時間複雜度**。我們藉助一個演算法題來加深理解。 !!! question 給定一個整數陣列 `nums` 和一個目標元素 `target` ,請在陣列中搜索“和”為 `target` 的兩個元素,並返回它們的陣列索引。返回任意一個解即可。 ## 10.4.1   線性查詢:以時間換空間 考慮直接走訪所有可能的組合。如圖 10-9 所示,我們開啟一個兩層迴圈,在每輪中判斷兩個整數的和是否為 `target` ,若是,則返回它們的索引。 ![線性查詢求解兩數之和](replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_brute_force.png){ class="animation-figure" }

圖 10-9   線性查詢求解兩數之和

程式碼如下所示: === "Python" ```python title="two_sum.py" def two_sum_brute_force(nums: list[int], target: int) -> list[int]: """方法一:暴力列舉""" # 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for i in range(len(nums) - 1): for j in range(i + 1, len(nums)): if nums[i] + nums[j] == target: return [i, j] return [] ``` === "C++" ```cpp title="two_sum.cpp" /* 方法一:暴力列舉 */ vector twoSumBruteForce(vector &nums, int target) { int size = nums.size(); // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (int i = 0; i < size - 1; i++) { for (int j = i + 1; j < size; j++) { if (nums[i] + nums[j] == target) return {i, j}; } } return {}; } ``` === "Java" ```java title="two_sum.java" /* 方法一:暴力列舉 */ int[] twoSumBruteForce(int[] nums, int target) { int size = nums.length; // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (int i = 0; i < size - 1; i++) { for (int j = i + 1; j < size; j++) { if (nums[i] + nums[j] == target) return new int[] { i, j }; } } return new int[0]; } ``` === "C#" ```csharp title="two_sum.cs" /* 方法一:暴力列舉 */ int[] TwoSumBruteForce(int[] nums, int target) { int size = nums.Length; // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (int i = 0; i < size - 1; i++) { for (int j = i + 1; j < size; j++) { if (nums[i] + nums[j] == target) return [i, j]; } } return []; } ``` === "Go" ```go title="two_sum.go" /* 方法一:暴力列舉 */ func twoSumBruteForce(nums []int, target int) []int { size := len(nums) // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for i := 0; i < size-1; i++ { for j := i + 1; i < size; j++ { if nums[i]+nums[j] == target { return []int{i, j} } } } return nil } ``` === "Swift" ```swift title="two_sum.swift" /* 方法一:暴力列舉 */ func twoSumBruteForce(nums: [Int], target: Int) -> [Int] { // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for i in nums.indices.dropLast() { for j in nums.indices.dropFirst(i + 1) { if nums[i] + nums[j] == target { return [i, j] } } } return [0] } ``` === "JS" ```javascript title="two_sum.js" /* 方法一:暴力列舉 */ function twoSumBruteForce(nums, target) { const n = nums.length; // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (let i = 0; i < n; i++) { for (let j = i + 1; j < n; j++) { if (nums[i] + nums[j] === target) { return [i, j]; } } } return []; } ``` === "TS" ```typescript title="two_sum.ts" /* 方法一:暴力列舉 */ function twoSumBruteForce(nums: number[], target: number): number[] { const n = nums.length; // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (let i = 0; i < n; i++) { for (let j = i + 1; j < n; j++) { if (nums[i] + nums[j] === target) { return [i, j]; } } } return []; } ``` === "Dart" ```dart title="two_sum.dart" /* 方法一: 暴力列舉 */ List twoSumBruteForce(List nums, int target) { int size = nums.length; // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (var i = 0; i < size - 1; i++) { for (var j = i + 1; j < size; j++) { if (nums[i] + nums[j] == target) return [i, j]; } } return [0]; } ``` === "Rust" ```rust title="two_sum.rs" /* 方法一:暴力列舉 */ pub fn two_sum_brute_force(nums: &Vec, target: i32) -> Option> { let size = nums.len(); // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for i in 0..size - 1 { for j in i + 1..size { if nums[i] + nums[j] == target { return Some(vec![i as i32, j as i32]); } } } None } ``` === "C" ```c title="two_sum.c" /* 方法一:暴力列舉 */ int *twoSumBruteForce(int *nums, int numsSize, int target, int *returnSize) { for (int i = 0; i < numsSize; ++i) { for (int j = i + 1; j < numsSize; ++j) { if (nums[i] + nums[j] == target) { int *res = malloc(sizeof(int) * 2); res[0] = i, res[1] = j; *returnSize = 2; return res; } } } *returnSize = 0; return NULL; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="two_sum.kt" /* 方法一:暴力列舉 */ fun twoSumBruteForce(nums: IntArray, target: Int): IntArray { val size = nums.size // 兩層迴圈,時間複雜度為 O(n^2) for (i in 0.. 此方法的時間複雜度為 $O(n^2)$ ,空間複雜度為 $O(1)$ ,在大資料量下非常耗時。 ## 10.4.2   雜湊查詢:以空間換時間 考慮藉助一個雜湊表,鍵值對分別為陣列元素和元素索引。迴圈走訪陣列,每輪執行圖 10-10 所示的步驟。 1. 判斷數字 `target - nums[i]` 是否在雜湊表中,若是,則直接返回這兩個元素的索引。 2. 將鍵值對 `nums[i]` 和索引 `i` 新增進雜湊表。 === "<1>" ![輔助雜湊表求解兩數之和](replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_hashtable_step1.png){ class="animation-figure" } === "<2>" ![two_sum_hashtable_step2](replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_hashtable_step2.png){ class="animation-figure" } === "<3>" ![two_sum_hashtable_step3](replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_hashtable_step3.png){ class="animation-figure" }

圖 10-10   輔助雜湊表求解兩數之和

實現程式碼如下所示,僅需單層迴圈即可: === "Python" ```python title="two_sum.py" def two_sum_hash_table(nums: list[int], target: int) -> list[int]: """方法二:輔助雜湊表""" # 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) dic = {} # 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for i in range(len(nums)): if target - nums[i] in dic: return [dic[target - nums[i]], i] dic[nums[i]] = i return [] ``` === "C++" ```cpp title="two_sum.cpp" /* 方法二:輔助雜湊表 */ vector twoSumHashTable(vector &nums, int target) { int size = nums.size(); // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) unordered_map dic; // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (int i = 0; i < size; i++) { if (dic.find(target - nums[i]) != dic.end()) { return {dic[target - nums[i]], i}; } dic.emplace(nums[i], i); } return {}; } ``` === "Java" ```java title="two_sum.java" /* 方法二:輔助雜湊表 */ int[] twoSumHashTable(int[] nums, int target) { int size = nums.length; // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) Map dic = new HashMap<>(); // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (int i = 0; i < size; i++) { if (dic.containsKey(target - nums[i])) { return new int[] { dic.get(target - nums[i]), i }; } dic.put(nums[i], i); } return new int[0]; } ``` === "C#" ```csharp title="two_sum.cs" /* 方法二:輔助雜湊表 */ int[] TwoSumHashTable(int[] nums, int target) { int size = nums.Length; // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) Dictionary dic = []; // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (int i = 0; i < size; i++) { if (dic.ContainsKey(target - nums[i])) { return [dic[target - nums[i]], i]; } dic.Add(nums[i], i); } return []; } ``` === "Go" ```go title="two_sum.go" /* 方法二:輔助雜湊表 */ func twoSumHashTable(nums []int, target int) []int { // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) hashTable := map[int]int{} // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for idx, val := range nums { if preIdx, ok := hashTable[target-val]; ok { return []int{preIdx, idx} } hashTable[val] = idx } return nil } ``` === "Swift" ```swift title="two_sum.swift" /* 方法二:輔助雜湊表 */ func twoSumHashTable(nums: [Int], target: Int) -> [Int] { // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) var dic: [Int: Int] = [:] // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for i in nums.indices { if let j = dic[target - nums[i]] { return [j, i] } dic[nums[i]] = i } return [0] } ``` === "JS" ```javascript title="two_sum.js" /* 方法二:輔助雜湊表 */ function twoSumHashTable(nums, target) { // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) let m = {}; // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (let i = 0; i < nums.length; i++) { if (m[target - nums[i]] !== undefined) { return [m[target - nums[i]], i]; } else { m[nums[i]] = i; } } return []; } ``` === "TS" ```typescript title="two_sum.ts" /* 方法二:輔助雜湊表 */ function twoSumHashTable(nums: number[], target: number): number[] { // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) let m: Map = new Map(); // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (let i = 0; i < nums.length; i++) { let index = m.get(target - nums[i]); if (index !== undefined) { return [index, i]; } else { m.set(nums[i], i); } } return []; } ``` === "Dart" ```dart title="two_sum.dart" /* 方法二: 輔助雜湊表 */ List twoSumHashTable(List nums, int target) { int size = nums.length; // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) Map dic = HashMap(); // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (var i = 0; i < size; i++) { if (dic.containsKey(target - nums[i])) { return [dic[target - nums[i]]!, i]; } dic.putIfAbsent(nums[i], () => i); } return [0]; } ``` === "Rust" ```rust title="two_sum.rs" /* 方法二:輔助雜湊表 */ pub fn two_sum_hash_table(nums: &Vec, target: i32) -> Option> { // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) let mut dic = HashMap::new(); // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (i, num) in nums.iter().enumerate() { match dic.get(&(target - num)) { Some(v) => return Some(vec![*v as i32, i as i32]), None => dic.insert(num, i as i32), }; } None } ``` === "C" ```c title="two_sum.c" /* 雜湊表 */ typedef struct { int key; int val; UT_hash_handle hh; // 基於 uthash.h 實現 } HashTable; /* 雜湊表查詢 */ HashTable *find(HashTable *h, int key) { HashTable *tmp; HASH_FIND_INT(h, &key, tmp); return tmp; } /* 雜湊表元素插入 */ void insert(HashTable *h, int key, int val) { HashTable *t = find(h, key); if (t == NULL) { HashTable *tmp = malloc(sizeof(HashTable)); tmp->key = key, tmp->val = val; HASH_ADD_INT(h, key, tmp); } else { t->val = val; } } /* 方法二:輔助雜湊表 */ int *twoSumHashTable(int *nums, int numsSize, int target, int *returnSize) { HashTable *hashtable = NULL; for (int i = 0; i < numsSize; i++) { HashTable *t = find(hashtable, target - nums[i]); if (t != NULL) { int *res = malloc(sizeof(int) * 2); res[0] = t->val, res[1] = i; *returnSize = 2; return res; } insert(hashtable, nums[i], i); } *returnSize = 0; return NULL; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="two_sum.kt" /* 方法二:輔助雜湊表 */ fun twoSumHashTable(nums: IntArray, target: Int): IntArray { val size = nums.size // 輔助雜湊表,空間複雜度為 O(n) val dic = HashMap() // 單層迴圈,時間複雜度為 O(n) for (i in 0.. 此方法透過雜湊查詢將時間複雜度從 $O(n^2)$ 降至 $O(n)$ ,大幅提升執行效率。 由於需要維護一個額外的雜湊表,因此空間複雜度為 $O(n)$ 。**儘管如此,該方法的整體時空效率更為均衡,因此它是本題的最優解法**。