[Leetcode]54. Spiral Matrix @python

螺旋矩阵读取算法实现

题目

Given a matrix of m x n elements (m rows, n columns), return all elements of the matrix in spiral order.

For example,
Given the following matrix:

[
[ 1, 2, 3 ],
[ 4, 5, 6 ],
[ 7, 8, 9 ]
]
You should return [1,2,3,6,9,8,7,4,5].

题目要求

给定一个矩阵,按照螺旋的方式读取矩阵中的元素,由内而外。

解题思路

此题借鉴南郭子綦的代码。这是一个使用状态转移的例子。
程序逻辑分为4个状态
1. 0表示向右边读取
2. 1表示向下读取
3. 2表示向左读取
4. 3表示向上读取
仅仅用状态还不够,因为要从最外圈向内读取,所以还需要四个指针:
1. up表示外圈的上行位置
2. down表示外圈的下行位置
3. left表示外圈的左列位置
4. right表示外圈的右列位置

代码

class Solution(object):
    def spiralOrder(self, matrix):
        """
        :type matrix: List[List[int]]
        :rtype: List[int]
        """
        if len(matrix) == 0:
            return []
        ans = []
        direct = 0 # 0 for right, 1 for down, 2 for left, 3 for up
        up = left = 0
        down,right = len(matrix) - 1,len(matrix[0]) - 1
        while up <= down and left <= right:
            if direct == 0:
                for i in range(left,right + 1):
                    ans.append(matrix[up][i])
                up += 1
            elif direct == 1:
                for i in range(up,down + 1):
                    ans.append(matrix[i][right])
                right -= 1
            elif direct == 2:
                for i in range(left,right + 1)[::-1]:
                    ans.append(matrix[down][i])
                down -= 1
            else:
                for i in range(up,down + 1)[::-1]:
                    ans.append(matrix[i][left])
                left += 1
            direct = (direct + 1) % 4

        return ans
<think> 首先,用户的问题是关于理解一行代码:'res.extend(matrix[up][left:right + 1])'。用户指定了参考站内引用,但这些引用似乎是为了上下文,而不是直接相关。用户说“上述引用仅供参考”,所以我需要专注于用户的问题:理解这段代码的含义和使用场景。 用户的问题是:“我想理解代码 'res.extend(matrix[up][left:right + 1])' 的含义及使用场景 请问代码 res.extend(matrix[up][left:right + 1]) 的含义和使用场景” 在提供的引用中,引用[1]有类似的代码:`res.extend(matrix[top][left:right+1])`。这可能是一个拼写错误或变量名不同(up vs top),但从上下文看,应该是相同的概念。 回顾引用[1]的代码: ```python res.extend(matrix[top][left:right+1]) ``` 这是在处理螺旋顺序遍历矩阵的代码中出现的。所以,我需要解释这个特定的行。 现在,分解代码: - `res`:这是一个列表,用于存储遍历的结果。 - `extend()`:这是Python列表的方法,用于将另一个可迭代对象(如列表、元组等)中的所有元素添加到当前列表的末尾。 - `matrix[top][left:right+1]`:这部分是切片操作。 - `matrix[top]`:访问矩阵的第`top`行(假设`top`是行索引)。 - `[left:right+1]`:切片该行从索引`left`到`right`(包括`right`),因为Python切片是左闭右开,所以`left:right+1`表示从`left`到`right`(含)的元素。 所以,整体意思:将矩阵的第`top`行从列索引`left`到`right`(包括两端)的所有元素添加到`res`列表中。 使用场景:这是在螺旋矩阵遍历算法中。算法通常用于按螺旋顺序输出矩阵的元素。常见的方法是定义四个边界:top, bottom, left, right,然后按顺序遍历: 1. 从左到右遍历顶行(top row)。 2. 从上到下遍历右列(right column)。 3. 从右到左遍历底行(bottom row)。 4. 从下到上遍历左列(left column)。 然后更新边界向内收缩。 在引用[1]的代码中,具体位置是: ```python while top < bottom and left < right: res.extend(matrix[top][left:right+1]) # 遍历顶行 ... # 其他遍历步骤 ``` 所以,这个行用于在螺旋遍历的第一步:添加顶行从left到right的所有元素。 含义:提取矩阵的指定行(top行)的指定列范围(left到right)的子列表,并添加到结果列表中。 使用场景:主要用于矩阵遍历算法,如LeetCodeSpiral Matrix问题(引用[1]和[2]提到),其中需要按螺旋顺序访问元素。 用户提到“res.extend(matrix[up][left:right + 1])”,但代码中是“matrix[up]”,而引用中是“matrix[top]”。可能“up”是“top”的误写,或者是另一个上下文。但在标准螺旋遍历中,通常用top、bottom等变量名。我应该假设是指top行。 现在,根据系统指令: - 行内数学表达式用$...$:可能这里没有数学表达式,所以不需要。 - 独立公式用$$...$$:也不需要。 - LaTeX语法正确:如果需要数学,但这里可能不需要。 - 使用中文回答:用户要求中文,所以整个回答用中文。 - 生成相关问题:在回答末尾添加相关问题。 - 回答中引用的段落末尾添加引用标识:用户提供了引用,我应该引用[^1],因为代码来自那里。 用户说“参考站内引用”,所以我应该引用引用[1]。 回答结构清晰:逐步解释代码的含义,然后使用场景。 最终回答结构: 1. 解释代码的含义。 2. 解释使用场景。 3. 添加相关问题。 相关问题:生成与矩阵遍历或Python列表操作相关的问题。 相关问题例子: 1. 螺旋矩阵遍历算法的其他实现方法是什么? 2. Python中extend()和append()有什么区别? 3. 如何处理矩阵遍历中的边界条件? 确保回答真实可靠:基于标准知识解释。 完整回答: - 首先,直接回答问题。 - 然后,提供细节。 - 最后,相关问题。 </think> ### 代码解释:`res.extend(matrix[up][left:right + 1])`的含义和使用场景 在Python中,`res.extend(matrix[up][left:right + 1])` 是一个用于矩阵遍历的常见代码片段,特别是在螺旋顺序遍历算法的上下文中。下面我将逐步解释其含义和使用场景,确保结构清晰易懂。 #### 1. **代码含义** 这段代码的核心是**提取矩阵指定行的一段连续列元素,并将它们添加到结果列表中**。具体分解如下: - `matrix`:一个二维列表(或矩阵),例如 `[[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]`。 - `matrix[up]`:访问矩阵的第 `up` 行(`up` 是一个整数索引,如 `0` 表示第一行)。变量名 `up` 通常等效于 `top`,代表当前遍历的“上边界”行索引。 - `matrix[up][left:right + 1]`:这是一个切片操作: - `left` 和 `right` 是整数索引,分别代表当前行的起始列索引和结束列索引。 - `left:right + 1` 表示从列索引 `left` 到 `right`(包括两端),因为Python切片语法 `[start:end]` 是左闭右开(即包括 `start`,不包括 `end`)。因此,`right + 1` 确保索引 `right` 被包含在内。 - 结果是一个子列表,包含该行从 `left` 到 `right` 的所有元素。 - `res.extend(...)`:`res` 是一个结果列表(通常初始化为空列表 `[]`),`extend()` 方法将这个子列表中的所有元素添加到 `res` 的末尾。例如,如果 `matrix[up][left:right + 1]` 是 `[2, 3, 4]`,那么 `res.extend()` 会将 `2`, `3`, `4` 逐个加到 `res` 中(而不是作为一个整体子列表添加)。 **总结含义**:这行代码的作用是**将矩阵的第 `up` 行中,从列索引 `left` 到 `right`(包含)的元素,按顺序添加到结果列表 `res` 中**。这是一种高效提取行片段的方式。 #### 2. **使用场景** 这个代码主要用于**矩阵遍历算法**,特别是在需要按特定顺序访问所有元素的场景中。最常见的应用是螺旋矩阵遍历(Spiral Matrix),例如在LeetCode问题“54. Spiral Matrix”(螺旋矩阵)中[^1]。以下是详细说明: - **典型场景**:在螺旋遍历算法中,算法通过维护四个边界变量(`top`, `bottom`, `left`, `right`)来模拟螺旋路径: - 第一步:遍历顶行(`top` 行)从左到右(即 `left` 到 `right`)。 - 后续步骤:依次遍历右列、底行(从右到左)、左列(从下到上),然后向内收缩边界。 - **该代码的角色**:`res.extend(matrix[up][left:right + 1])` 通常用于**第一步,即遍历顶行**。例如: - 在引用[1]的代码中,类似行 `res.extend(matrix[top][left:right+1])` 出现在循环中,负责提取当前螺旋层的顶行元素[^1]。 - 例如,对于一个矩阵: ``` [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]] ``` 如果 `up = 0`, `left = 0`, `right = 2`,则 `matrix[up][left:right + 1]` 返回 `[1, 2, 3]`,`res.extend()` 后 `res` 变为 `[1, 2, 3]`。 - **为什么使用 `extend()` 而不是 `append()`**: - `extend()` 用于添加多个元素(如子列表),而 `append()` 会将整个子列表作为一个元素添加(例如 `res.append(matrix[up][left:right + 1])` 会使 `res` 变成 `[[1, 2, 3]]`,而不是 `[1, 2, 3]`)。 - 这在遍历结果需要扁平列表(flat list)时至关重要,符合螺旋矩阵的输出要求(如 `[1, 2, 3, 6, 9, 8, 7, 4, 5]`)。 - **边界处理注意事项**: - 在螺旋遍历中,当矩阵尺寸变化时(如行或列为奇数),代码通常包含条件检查(如 `if top == bottom:`)来处理剩余的行或列。 - 例如,引用[1]的代码在循环后有 `if top == bottom: res.extend(matrix[top][left:right+1])`,用于处理最后一行[^1]。 **总结使用场景**:这个代码是**矩阵螺旋遍历算法的基础部分**,尤其适用于图像处理、数据序列化或算法问题(如LeetCode)。它高效地提取行片段,确保元素按顺序添加到结果中。在实际项目中,类似逻辑也见于数组旋转或二维数据的扫描。 ### 相关问题 为了加深理解,以下是基于此代码的相关问题: 1.螺旋矩阵遍历中,如何处理矩阵为奇数行或奇数列时的边界条件? 2. Python中 `extend()` 和 `append()` 方法在列表操作中的主要区别是什么? 3. 除了螺旋遍历,这种切片操作还有哪些常见应用场景(如数据预处理或图像处理)?
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