【算法】【双指针】 算法详解及实现（python、go、java）

目录

一、双指针的基本思想

二、应用场景

三、代码实现

1. Python 实现

2. Go 实现

3. Java 实现

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双指针是一种高效的算法技术，通常用于解决数组和字符串中的问题，特别是在处理排序数组、查找子串、或进行特定条件匹配时。双指针法通过使用两个指针在数据结构中移动，能够有效减少时间复杂度和空间复杂度。

一、双指针的基本思想

1. 指针初始化：通常，两个指针分别指向数组或字符串的开始和结束位置，或者两个不同的元素。
2. 条件判断：根据需要的条件，移动指针。指针的移动可以是同时移动、交替移动或根据特定条件进行调整。
3. 时间复杂度：双指针通常可以将时间复杂度从 O(n^2) 降低到 O(n)。

二、应用场景

• 有序数组的两数之和：找出两个数的和等于目标值。
• 反转字符串：交换字符位置。
• 合并两个有序数组：合并时保持顺序。

三、代码实现

以下是用 Python、Go 和 Java 实现的双指针算法的具体案例。我们将通过“有序数组中的两数之和”问题来演示。

1. Python 实现

问题描述：给定一个已排序的数组和一个目标值，找出两个数的索引，使它们的和等于目标值。

def two_sum(nums, target):
    left, right = 0, len(nums) - 1  # 初始化两个指针

    while left < right:
        current_sum = nums[left] + nums[right]  # 计算当前和

        if current_sum == target:
            return left, right  # 找到目标值，返回索引
        elif current_sum < target:
            left += 1  # 如果和小于目标值，移动左指针
        else:
            right -= 1  # 如果和大于目标值，移动右指针

    return None  # 未找到满足条件的两个数

# 示例
nums = [2, 7, 11, 15]
target = 9
result = two_sum(nums, target)
print(f"两个数的索引: {result}")

• left 和 right 指针分别指向数组的起始和结束位置。
• 在每次循环中计算当前两个指针指向的元素的和，并根据比较结果调整指针。

2. Go 实现

问题描述：与 Python 相同，给定一个已排序的数组和目标值，找出两个数的索引。

package main

import "fmt"

func twoSum(nums []int, target int) (int, int) {
    left, right := 0, len(nums)-1 // 初始化两个指针

    for left < right {
        currentSum := nums[left] + nums[right] // 计算当前和

        if currentSum == target {
            return left, right // 找到目标值，返回索引
        } else if currentSum < target {
            left++ // 如果和小于目标值，移动左指针
        } else {
            right-- // 如果和大于目标值，移动右指针
        }
    }

    return -1, -1 // 未找到满足条件的两个数
}

func main() {
    nums := []int{2, 7, 11, 15}
    target := 9
    left, right := twoSum(nums, target)
    fmt.Printf("两个数的索引: %d, %d\n", left, right)
}

• 使用 left 和 right 指针来追踪当前的两个数。
• 循环中根据当前和与目标值的比较结果移动指针。

3. Java 实现

问题描述：同样是给定一个已排序的数组和目标值，找出两个数的索引。

import java.util.Arrays;

public class TwoSum {
    public static int[] twoSum(int[] nums, int target) {
        int left = 0, right = nums.length - 1; // 初始化两个指针

        while (left < right) {
            int currentSum = nums[left] + nums[right]; // 计算当前和

            if (currentSum == target) {
                return new int[]{left, right}; // 找到目标值，返回索引
            } else if (currentSum < target) {
                left++; // 如果和小于目标值，移动左指针
            } else {
                right--; // 如果和大于目标值，移动右指针
            }
        }

        return new int[]{-1, -1}; // 未找到满足条件的两个数
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {2, 7, 11, 15};
        int target = 9;
        int[] result = twoSum(nums, target);
        System.out.println("两个数的索引: " + Arrays.toString(result));
    }
}

• 使用 left 和 right 指针进行遍历。
• Arrays.toString 用于打印结果数组。