【每日一题】32. Longest Valid Parentheses

本文探讨了如何在给定的包含'('和')'的字符串中,寻找最长的有效括号子串的长度。介绍了三种解决策略:暴力方法、栈辅助判断和动态规划,并详细解释了各自的实现过程。

题目描述

Given a string containing just the characters '(' and ')', find the length of the longest valid (well-formed) parentheses substring.

Example 1:

Input: "(()"
Output: 2
Explanation: The longest valid parentheses substring is "()"

Example 2:

Input: ")()())"
Output: 4
Explanation: The longest valid parentheses substring is "()()"

给定一个只包含 '('')' 的字符串,找出最长的包含有效括号的子串的长度。

题解

暴力方法

因为求得是最长有效括号的子串的长度,子串有效的话,其长度一定是偶数;我们可以遍历每种偶数长度的子串,针对每种可能判断是否是有效的,如果有效,求子串的最大长度。具体步骤:

  1. 括号有效性验证函数;
  2. 结果长度result;
  3. 遍历偶数长度子串的可能,判断是否有效
    1. 有效,result = max(result, len(str))
    2. 无效,下一个子串
class Solution {
public:
    int longestValidParentheses(string s) {
        int maxlen = 0;
        
        for (int i=0; i< s.size(); i++){
            for (int j=i+2; j<= s.size(); j += 2){
                if (isValid(s.substr(i, j-i))){
                    maxlen = max(maxlen, j-i);
                }
            }
        }
        
        return maxlen;
    }
    bool isValid(string s){
        stack<char> data;
        
        for (char c: s){
            if (c == '(')
                data.push(c);
            else if (!data.empty() && data.top() == '(')
                data.pop();
            else
                return false;
        }
        
        return data.empty();
    }
};

但是由于时间复杂度太高O(N**3),导致超时。

image-20200804082601982

但是其中括号有效性判断,还是可以学习的,使用栈数据结构辅助判断。

将上面的有效性判断方法稍加修改:使用一个变量记录子串的起始位置,同时入栈时,把字符所在的下标入栈,而不是字符‘(’,‘)’,使用下标运算记录子串

  • (: 所在下标入栈
  • ):
    • 如果栈为空,重置起始位置,start = i + 1;
    • 不为空,弹出,如果此时栈为空,记录子串长度i-start+1;否则,i - data.top() {因为,成对的‘(’已经弹出,此时data.top()为成对的前一个位置,长度i-(data.top()+1)+1=i-data.top()}

完整代码:

class Solution {
public:
    int longestValidParentheses(string s) {
        stack<int> data;
        int result = 0, start = 0;
        for (int i=0; i< s.size(); i++){
            if (s[i] == '(')
                data.push(i);
            else{
                if (data.empty())
                    start = i+1;
                else{
                    data.pop();
                    result = data.empty() ? max(result, i-start+1) : max(result, i- data.top());
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

动态规划

状态:DP[i]:以s[i-1]结尾的最长的包含有效括号的子串的长度

通项公式:

s[i] = ‘(’, DP[i] = 0;

s[i] = ‘)’: 此时需要向前看,先确定dp[i-1]的长度,可能有(())连续对的存在,所以找到字符i-dp[i-1]-2,如果这个字符为左括号,那么有效长度+2;但是还可能存在"()(())"情况,也就是说找到对应前缀后前面还有有效长度,此时它的有效长度记录在dp[i-dp[i-1]-2]中,所以dp[i] = dp[i-1]+2+dp[i-dp[i-1]-2],这种情况是,有效对+(有效对),当计算最后一个右括号时,需要找到对应的左括号,但是dp[左括号]也可能不为0,所以此时需要再加上dp[左括号]的值。dp[i]表示以s[i-1]结尾的最长有效子串长度,为了避免取dp[i-1]时越界

代码:

class Solution {
public:
    int longestValidParentheses(string s) {
        int res = 0, n = s.size();
        vector<int> dp(n + 1);
        for (int i = 1; i <= n; ++i) {
            int j = i - 2 - dp[i - 1];
            if (s[i - 1] == '(' || j < 0 || s[j] == ')') {
                dp[i] = 0;
            } else {
                dp[i] = dp[i - 1] + 2 + dp[j];
                res = max(res, dp[i]);
            }
        }
        return res;
    }
};

Reference

https://www.cnblogs.com/grandyang/p/4424731.html

https://bangbingsyb.blogspot.com/2014/11/leetcode-longest-valid-parentheses.html


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最长有效括号子串问题是经典的算法问题,目标是找出一个只包含 `'('` 和 `')'` 的字符串中最长的连续有效括号子串的长度。该问题可以通过多种方法解决,其中使用动态规划(Dynamic Programming)和栈(Stack)是最常见的两种方式。 ### 动态规划方法 动态规划方法通过构建一个 `dp` 数组来记录以每个字符结尾的最长有效子串长度。具体步骤如下: - 初始化一个长度为 `n` 的数组 `dp`,初始值为 0。 - 遍历字符串,当遇到 `')'` 时进行判断: - 如果前一个字符是 `'('`,则判断是否形成 `()` 形式的有效括号,若成立,则更新当前 `dp[i]`。 - 如果前一个字符是 `')'`,则检查是否存在嵌套的有效括号结构,并更新当前 `dp[i]`。 ```c #include <stdio.h> #include <string.h> int longestValidParentheses(char* s) { int n = strlen(s); int dp[n]; memset(dp, 0, sizeof(dp)); int maxLen = 0; for (int i = 1; i < n; i++) { if (s[i] == ')') { if (s[i - 1] == '(') { dp[i] = (i >= 2 ? dp[i - 2] : 0) + 2; } else if (i - dp[i - 1] > 0 && s[i - dp[i - 1] - 1] == '(') { dp[i] = dp[i - 1] + ((i - dp[i - 1] >= 2) ? dp[i - dp[i - 1] - 2] : 0) + 2; } maxLen = (dp[i] > maxLen) ? dp[i] : maxLen; } } return maxLen; } ``` ### 栈方法 栈方法通过维护一个栈来记录括号的索引,用于判断括号是否匹配并计算有效长度。具体步骤如下: - 初始化一个栈,初始时压入 `-1` 作为基准值。 - 遍历字符串,遇到 `'('` 时压入栈。 - 遇到 `')'` 时弹出栈顶元素,如果栈为空,则压入当前索引;否则计算当前索引与栈顶元素的差值,更新最大长度。 ```c #include <stdio.h> #include <string.h> #define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) int longestValidParentheses(char* s) { int n = strlen(s); int stack[n + 1]; int top = 0; stack[0] = -1; int maxLen = 0; for (int i = 0; i < n; i++) { if (s[i] == '(') { stack[++top] = i; } else { top--; if (top == -1) { stack[++top] = i; } else { maxLen = MAX(maxLen, i - stack[top]); } } } return maxLen; } ``` ### 复杂度分析 - **时间复杂度**:两种方法均为 $O(n)$,其中 $n$ 是字符串的长度。 - **空间复杂度**: - 动态规划方法为 $O(n)$,需要额外的 `dp` 数组。 - 栈方法为 $O(n)$,需要额外的栈空间。 ### 应用场景 - **动态规划**:适用于对内存使用要求不高的场景,且需要快速实现。 - **栈方法**:适用于内存敏感的场景,且需要高效处理嵌套结构的问题。
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