每日算法之二十:Generate Parentheses

本文介绍了一个算法问题,即给定一个正整数n,生成所有可能的由n对括号组成的正确括号字符串。文章详细解释了如何通过递归方法构建解决方案,并提供了具体的C++代码实现。

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Given n pairs of parentheses, write a function to generate all combinations of well-formed parentheses.

For example, given n = 3, a solution set is:

"((()))", "(()())", "(())()", "()(())", "()()()"

给出数字n,求出所有合法的表达式。

我们用二叉树形象的表示这种关系。然后再把二叉树转化为代码的形式。因为二叉树的定义就是递归定义的,因此本题很明显应该使用递归的形式。


从上面的图片中我们可以很明显的看到,最后五条画黑线的就是最终的结果,其中左分支都是添加左括号,又分支都是添加右括号。

那么我们在什么情况下添加左括号呢?很明显,最多能添加n个左括号,在递归调用的时候,在能传递到最底层的共用字符串中先添加"(",然后left-1,递归调用就可以。

那什么时候添加右括号呢?当左括号个数大于右括号的个数时添加右括号。

那我们是先添加右括号还是先添加左括号呢?对于这个问题,认真想想其实是无所谓的,只会影响在vector中最后字符串的顺序而已。

下面是代码,难度主要在以下几个方面:

1.想到二叉树,想到递归实现。

2.递归函数的参数形式要考虑清楚才可以。

<span style="font-size:18px;">class Solution {
public:
   void dfs(vector<string> & resi,string temp,int left,int right)
    {
        if(left == 0 && right == 0)
        {
            resi.push_back(temp);
            return;
        }
        if(left>0)
            dfs(resi,temp+"(",left-1,right);
        if(left<right)
            dfs(resi,temp+")",left,right-1);
    }
    vector<string> generateParenthesis(int n) {
        vector<string> resi;
        if(n == 0)
            return resi;
        dfs(resi,"",n,n);
        return resi;
    }
    
};</span>







#include <cassert> /// for assert #include <iostream> /// for I/O operation #include <vector> /// for vector container /** @brief Backtracking algorithms @namespace backtracking / namespace backtracking { /* @brief generate_parentheses class */ class generate_parentheses { private: std::vectorstd::string res; ///< Contains all possible valid patterns void makeStrings(std::string str, int n, int closed, int open); public: std::vectorstd::string generate(int n); }; /** @brief function that adds parenthesis to the string. @param str string build during backtracking @param n number of pairs of parentheses @param closed number of closed parentheses @param open number of open parentheses */ void generate_parentheses::makeStrings(std::string str, int n, int closed, int open) { if (closed > open) // We can never have more closed than open return; if ((str.length() == 2 * n) && (closed != open)) { // closed and open must be the same return; } if (str.length() == 2 * n) { res.push_back(str); return; } makeStrings(str + ')', n, closed + 1, open); makeStrings(str + '(', n, closed, open + 1); } /** @brief wrapper interface @param n number of pairs of parentheses @return all well-formed pattern of parentheses */ std::vectorstd::string generate_parentheses::generate(int n) { backtracking::generate_parentheses::res.clear(); std::string str = “(”; generate_parentheses::makeStrings(str, n, 0, 1); return res; } } // namespace backtracking /** @brief Self-test implementations @returns void */ static void test() { int n = 0; std::vectorstd::string patterns; backtracking::generate_parentheses p; n = 1; patterns = {{“()”}}; assert(p.generate(n) == patterns); n = 3; patterns = {{“()()()”}, {“()(())”}, {“(())()”}, {“(()())”}, {“((()))”}}; assert(p.generate(n) == patterns); n = 4; patterns = {{“()()()()”}, {“()()(())”}, {“()(())()”}, {“()(()())”}, {“()((()))”}, {“(())()()”}, {“(())(())”}, {“(()())()”}, {“(()()())”}, {“(()(()))”}, {“((()))()”}, {“((())())”}, {“((()()))”}, {“(((())))”}}; assert(p.generate(n) == patterns); std::cout << “All tests passed\n”; } /** @brief Main function @returns 0 on exit */ int main() { test(); // run self-test implementations return 0; } 在这段代码的基础上为C++初学者出几个练习题?
最新发布
03-08
<think>好的,我需要为这个C++的括号生成代码设计几个适合初学者的练习题。首先,我要仔细看一下用户提供的代码结构,了解它的功能以及涉及到的C++知识点。 这段代码实现了一个回溯算法来生成有效的括号组合,使用了类、命名空间、递归、向量容器以及断言测试等。主要类generate_parentheses有一个私有方法makeStrings来递归构建括号字符串,以及一个公共方法generate来启动生成过程。还有测试函数test和主函数main。 接下来,我要考虑初学者的学习路径,从基础到进阶逐步深入。练习题需要覆盖代码中涉及的不同知识点,同时让学习者通过修改和扩展代码来加深理解。 首先,可能从代码结构和基本语法开始。例如,理解命名空间的作用,或者类的结构。比如,让学习者添加注释,或者修改输出方式,这样他们可以熟悉代码的组织结构。 然后是递归的理解,这是这段代码的核心。可以设计一个练习,让学习者跟踪递归过程,或者添加调试输出,帮助他们理解递归的调用顺序和条件判断。 接下来是关于STL容器的使用,比如vector。可能让学习者统计生成的括号组合数量,或者存储其他信息,比如每个组合的长度,这需要操作vector。 测试部分使用了assert,可以设计一个测试用例的练习,让学习者添加新的测试案例,或者修复现有的测试,这有助于理解单元测试的重要性。 另外,代码中有一些潜在的问题或可以优化的地方。例如,生成结果的顺序是否符合某种规律,或者是否有重复的情况。可以让学习者检查结果并优化算法。 还可以考虑扩展功能,比如生成其他类型的括号组合,或者将结果输出到文件,这样涉及到文件操作和代码扩展。 要注意练习题的难度递进,从简单的代码阅读和修改开始,逐步过渡到更复杂的逻辑调整和功能添加。每个练习应聚焦一个或两个知识点,避免过于复杂。 可能的练习题方向: 1. 代码注释和结构理解:让学习者添加注释,解释递归函数的每一步。 2. 输出调试信息:在递归过程中打印日志,帮助理解执行流程。 3. 修改生成逻辑:调整生成顺序,观察结果变化。 4. 添加新的测试用例:验证不同输入下的正确性。 5. 扩展功能:生成不同括号类型或组合。 6. 性能优化:分析递归效率,尝试改进。 需要确保每个练习有明确的目标和步骤,同时提供必要的提示,避免学习者卡在无关的细节上。例如,在递归跟踪的练习中,可以建议使用缩进来表示递归深度,这样输出更易读。 最后,检查每个练习是否覆盖了关键知识点,如类设计、递归、STL容器、测试方法等,确保学习者在完成练习后能够巩固这些基础概念,并提升问题解决能力。</think>以下是为C++初学者设计的5个递进式练习题(基于括号生成代码): --- **练习1:理解递归过程** ```cpp // 在makeStrings函数中添加调试输出: std::cout << "递归深度: " << str.length() << "\t当前字符串: " << str << "\t开括号: " << open << "\t闭括号: " << closed << std::endl; ``` ✦ 任务:当n=2时,记录递归调用顺序并绘制调用树,解释为什么最终生成的结果顺序是")()"在前? **练习2:输出格式化** ✦ 任务:修改测试函数,使输出显示为: ``` 测试n=1通过 ✅ 测试n=3通过 ✅ 测试n=4通过 ✅ ``` 要求:使用条件判断语句,根据assert结果输出不同符号 **练习3:内存优化** ✦ 任务: 1. 将res成员变量改为局部变量 2. 通过函数参数传递结果容器 3. 对比修改前后代码的可读性和内存使用差异 **练习4:生成顺序改造** ✦ 任务:调整递归调用顺序,使结果按字典序排列(如n=3时第一个结果是"((()))") 要求:只能修改makeStrings函数中的两行代码 **练习5:括号类型扩展** ✦ 任务:改造代码支持三种括号组合: - 有效组合示例:"{[]}","([{}])" - 无效组合示例:"{[}]" 要求:添加新的测试用例并实现验证逻辑 --- 每个练习对应关键知识点: 1. 递归执行流程分析 2. 测试结果可视化 3. 类成员变量作用域优化 4. 回溯算法执行顺序控制 5. 复杂括号匹配规则扩展 建议学习路径:从1→5逐步深入,重点关注递归调用栈的变化(练习1)、类设计优化(练习3)和算法扩展能力(练习5)。完成练习5后可以尝试实现括号有效性验证函数。
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