leetcode15. 三数之和--梦破碎的地方

1 题目
2 思路
- 2.1 哈希解法--含代码
- 2.2 双指针
- 2.3 去重逻辑的思考
- - 2.3.1 a的去重
  - 2.3.2 b与c的去重
3 代码--双指针法
- 3.1 C++版本
- 3.2 C版本
- 3.3 Java版本
- 3.4 Python3版本
- 3.5 JavaScript版本
4 总结

用哈希表解决了两数之和，那么三数之和呢？

1 题目

题源链接

给你一个整数数组 nums ，判断是否存在三元组 [nums[i], nums[j], nums[k]] 满足 i != j、i != k 且 j != k ，同时还满足 nums[i] + nums[j] + nums[k] == 0 。请

你返回所有和为 0 且不重复的三元组。

注意：答案中不可以包含重复的三元组。

示例 1：

输入：nums = [-1,0,1,2,-1,-4]
输出：[[-1,-1,2],[-1,0,1]]
解释：
nums[0] + nums[1] + nums[2] = (-1) + 0 + 1 = 0 。
nums[1] + nums[2] + nums[4] = 0 + 1 + (-1) = 0 。
nums[0] + nums[3] + nums[4] = (-1) + 2 + (-1) = 0 。
不同的三元组是 [-1,0,1] 和 [-1,-1,2] 。
注意，输出的顺序和三元组的顺序并不重要。

示例 2：

输入：nums = [0,1,1]
输出：[]
解释：唯一可能的三元组和不为 0 。
示例 3：

输入：nums = [0,0,0]
输出：[[0,0,0]]
解释：唯一可能的三元组和为 0 。

提示：

3 <= nums.length <= 3000
-10⁵ <= nums[i] <= 10⁵

2 思路

可以结合Carl老师的视频讲解：
梦破碎的地方！| LeetCode：15.三数之和
思路整理于Carl老师的《代码随想录》

2.1 哈希解法–含代码

两层for循环就可以确定 a 和b 的数值了，可以使用哈希法来确定 0-(a+b) 是否在数组里出现过。
其实这个思路是正确的，但是我们有一个非常棘手的问题，就是题目中说的不可以包含重复的三元组。

把符合条件的三元组放进vector中，然后再去重，这样是非常费时的，很容易超时，也是这道题目通过率如此之低的根源所在。

去重的过程不好处理，有很多小细节，如果在面试中很难想到位。

时间复杂度可以做到O(n^2)，但还是比较费时的，因为不好做剪枝操作。

哈希法C++代码:

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> threeSum(vector<int>& nums) {
        vector<vector<int>> result;
        sort(nums.begin(), nums.end());
        // 找出a + b + c = 0
        // a = nums[i], b = nums[j], c = -(a + b)
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
            // 排序之后如果第一个元素已经大于零，那么不可能凑成三元组
            if (nums[i] > 0) {
                break;
            }
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) { //三元组元素a去重
                continue;
            }
            unordered_set<int> set;
            for (int j = i + 1; j < nums.size(); j++) {
                if (j > i + 2
                        && nums[j] == nums[j-1]
                        && nums[j-1] == nums[j-2]) { // 三元组元素b去重
                    continue;
                }
                int c = 0 - (nums[i] + nums[j]);
                if (set.find(c) != set.end()) {
                    result.push_back({nums[i], nums[j], c});
                    set.erase(c);// 三元组元素c去重
                } else {
                    set.insert(nums[j]);
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

2.2 双指针

其实这道题目使用哈希法并不十分合适，因为在去重的操作中有很多细节需要注意，在面试中很难直接写出没有bug的代码。

而且使用哈希法在使用两层for循环的时候，能做的剪枝操作很有限，虽然时间复杂度是O(n^2)，也是可以在leetcode上通过，但是程序的执行时间依然比较长。

接下来我来介绍另一个解法：双指针法，这道题目使用双指针法要比哈希法高效一些，那么来讲解一下具体实现的思路。

动画效果如下：
在这里插入图片描述
动画展示

拿这个nums数组来举例，首先将数组排序，然后有一层for循环，i从下标0的地方开始，同时定一个下标left 定义在i+1的位置上，定义下标right 在数组结尾的位置上。

依然还是在数组中找到 abc 使得a + b +c =0，我们这里相当于 a = nums[i]，b = nums[left]，c = nums[right]。

接下来如何移动left 和right呢？
如果nums[i] + nums[left] + nums[right] > 0 就说明此时三数之和大了，因为数组是排序后了，所以 right下标就应该向左移动，这样才能让三数之和小一些

如果 nums[i] + nums[left] + nums[right] < 0 说明此时 三数之和小了，left 就向右移动，才能让三数之和大一些，直到left与right相遇为止。

时间复杂度：O(n^2)。

2.3 去重逻辑的思考

说道去重，其实主要考虑三个数的去重。 a, b ,c, 对应的就是 nums[i]，nums[left]，nums[right]

2.3.1 a的去重

a 如果重复了怎么办，a是nums里遍历的元素，那么应该直接跳过去。

但这里有一个问题，是判断 nums[i] 与 nums[i + 1]是否相同，还是判断 nums[i] 与 nums[i-1] 是否相同。

有什么区别吗？
还真有！

都是和 nums[i]进行比较，是比较它的前一个，还是比较他的后一个。

如果我们的写法是这样：

if (nums[i] == nums[i + 1]) { // 去重操作
    continue;
}

那就我们就把三元组中出现重复元素的情况直接pass掉了。例如 {-1, -1 ,2}这组数据，当遍历到第一个-1 的时候，判断下一个也是-1，那这组数据就pass了。

我们要做的是不能有重复的三元组，但三元组内的元素是可以重复的！

那么应该这么写：

if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) {
    continue;
}

这么写就是当前使用 nums[i]，我们判断前一位是不是一样的元素，在看 {-1, -1 ,2} 这组数据，当遍历到第一个 -1 的时候，只要前一位没有-1，那么 {-1, -1 ,2} 这组数据一样可以收录到结果集里。

这是一个非常细节的思考过程。

2.3.2 b与c的去重

很多同学写本题的时候，去重的逻辑多加了对right 和left 的去重：

while (right > left) {
    if (nums[i] + nums[left] + nums[right] > 0) {
        right--;
        // 去重 right
        while (left < right && nums[right] == nums[right + 1]) right--;
    } else if (nums[i] + nums[left] + nums[right] < 0) {
        left++;
        // 去重 left
        while (left < right && nums[left] == nums[left - 1]) left++;
    } else {
    }
}

但细想一下，这种去重其实对提升程序运行效率是没有帮助的。

拿right去重为例，即使不加这个去重逻辑，依然根据 while (right > left) 和 if (nums[i] + nums[left] + nums[right] > 0) 去完成right-- 的操作。

多加了 while (left < right && nums[right] == nums[right + 1]) right–; 这一行代码，其实就是把需要执行的逻辑提前执行了，但并没有减少判断的逻辑。

最直白的思考过程，就是right还是一个数一个数的减下去的，所以在哪里减的都是一样的。

所以这种去重是可以不加的。仅仅是把去重的逻辑提前了而已。

3 代码–双指针法

3.1 C++版本

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> threeSum(vector<int>& nums) {
        vector<vector<int>> result;
        sort(nums.begin(), nums.end());
        //  a = nums[i], b = nums[left], c = nums[right]
        int a, b, c, left, right;
        for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
            a = nums[i];
            if (a > 0)  //排序之后的第一个元素大于零，那么之后的三元组相加都不可能为0
                return result;
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i-1])  //对a的去重
                continue;
            left = i + 1;
            right = nums.size() - 1;
            while (left < right) {
                b = nums[left];
                c = nums[right];
                if (a + b + c > 0)  //说明大了，right收缩
                    right--;
                else if (a + b + c < 0) //说明小了，left右移
                    left++;
                else {  //找到a+b+c=0的三元组之后，对b和c去重
                    result.push_back(vector<int>{a, b, c});
                    while (left < right && nums[right] == nums[right - 1])
                        right--;
                    while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) 
                        left++;
                    //  找到答案时，双指针同时收缩
                    right--;
                    left++;
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

3.2 C版本

//qsort辅助cmp函数
int cmp(const void* ptr1, const void* ptr2) {
    return *((int*)ptr1) > *((int*)ptr2);
}

int** threeSum(int* nums, int numsSize, int* returnSize, int** returnColumnSizes) {
    //开辟ans数组空间
    int **ans = (int**)malloc(sizeof(int*) * 18000);
    int ansTop = 0;
    //若传入nums数组大小小于3，则需要返回数组大小为0
    if(numsSize < 3) {
        *returnSize = 0;
        return ans;
    }
    //对nums数组进行排序
    qsort(nums, numsSize, sizeof(int), cmp);
    

    int i;
    //用for循环遍历数组，结束条件为i < numsSize - 2(因为要预留左右指针的位置)
    for(i = 0; i < numsSize - 2; i++) {
        //若当前i指向元素>0，则代表left和right以及i的和大于0。直接break
        if(nums[i] > 0)
            break;
        //去重：i > 0 && nums[i] == nums[i-1]
        if(i > 0 && nums[i] == nums[i-1])
            continue;
        //定义左指针和右指针
        int left = i + 1;
        int right = numsSize - 1;
        //当右指针比左指针大时进行循环
        while(right > left) {
            //求出三数之和
            int sum = nums[right] + nums[left] + nums[i];
            //若和小于0，则左指针+1（因为左指针右边的数比当前所指元素大）
            if(sum < 0)
                left++;
            //若和大于0，则将右指针-1
            else if(sum > 0)
                right--;
            //若和等于0
            else {
                //开辟一个大小为3的数组空间，存入nums[i], nums[left]和nums[right]
                int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 3);
                arr[0] = nums[i];
                arr[1] = nums[left];
                arr[2] = nums[right];
                //将开辟数组存入ans中
                ans[ansTop++] = arr;
                //去重
                while(right > left && nums[right] == nums[right - 1])
                    right--;
                while(left < right && nums[left] == nums[left + 1])
                    left++;
                //更新左右指针
                left++;
                right--;
            }
        }
    }

    //设定返回的数组大小
    *returnSize = ansTop;
    *returnColumnSizes = (int*)malloc(sizeof(int) * ansTop);
    int z;
    for(z = 0; z < ansTop; z++) {
        (*returnColumnSizes)[z] = 3;
    }
    return ans;
}

3.3 Java版本

class Solution {
    public List<List<Integer>> threeSum(int[] nums) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        Arrays.sort(nums);
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (nums[i] > 0) 
                return result;
            if (i > 0 && nums[i - 1] == nums[i])
                continue;
            int left = i + 1, right = nums.length - 1;
            while (left < right) {
                int sum = nums[i] + nums[left] + nums[right];
                if (sum > 0)
                    right--;
                else if (sum < 0)
                    left++;
                else {
                    result.add(Arrays.asList(nums[i], nums[left], nums[right]));
                    while (left < right && nums[right] == nums[right - 1])  right--;
                    while (left < right && nums[left] == nums[left + 1])    left++;
                    right--;
                    left++;
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

3.4 Python3版本

class Solution:
    def threeSum(self, nums: List[int]) -> List[List[int]]:
        if len(nums) < 3:
            return []
        nums, result = sorted(nums), []
        for i in range(len(nums) - 2):
            a, l, r = nums[i], i + 1, len(nums) - 1
            if result != [] and result[-1][0] == a:
                continue
            while l < r:
                sum = a + nums[l] + nums[r]
                if sum > 0:
                    r -= 1
                elif sum < 0:
                    l += 1 
                else:
                    result.append([a, nums[l], nums[r]])
                    while l < r and nums[l] == nums[l + 1]:
                        l += 1 
                    while l < r and nums[r] == nums[r - 1]:
                        r -= 1
                    l += 1
                    r -= 1
        return result

3.5 JavaScript版本

var threeSum = function(nums) {
    const res = [], len = nums.length
    // 将数组排序
    nums.sort((a, b) => a - b)
    for (let i = 0; i < len; i++) {
        let l = i + 1, r = len - 1, iNum = nums[i]
        // 数组排过序，如果第一个数大于0直接返回res
        if (iNum > 0) return res
        // 去重
        if (iNum == nums[i - 1]) continue
        while(l < r) {
            let lNum = nums[l], rNum = nums[r], threeSum = iNum + lNum + rNum
            // 三数之和小于0，则左指针向右移动
            if (threeSum < 0) l++ 
            else if (threeSum > 0) r--
            else {
                res.push([iNum, lNum, rNum])
                // 去重
                while(l < r && nums[l] == nums[l + 1]){
                    l++
                }
                while(l < r && nums[r] == nums[r - 1]) {
                    r--
                }
                l++
                r--
            }
        }
    }
    return res
};