LeetCode-Python-380. O(1) 时间插入、删除和获取随机元素(集合）

实现RandomizedSet 类：

• RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
• bool insert(int val) 当元素 val 不存在时，向集合中插入该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
• bool remove(int val) 当元素 val 存在时，从集合中移除该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
• int getRandom() 随机返回现有集合中的一项（测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素）。每个元素应该有 相同的概率 被返回。

你必须实现类的所有函数，并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1) 。

示例：

输入
["RandomizedSet", "insert", "remove", "insert", "getRandom", "remove", "insert", "getRandom"]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]

解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ，表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ，返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中，所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字，getRandom 总是返回 2 。

提示：

• -231 <= val <= 231 - 1
• 最多调用 insert、remove 和 getRandom 函数 2 * 105 次
• 在调用 getRandom 方法时，数据结构中 至少存在一个 元素。

思路：

首先 getRandom（） 需要 O（1），我们就可以很自然地想到 random.choice(list) 可以帮助我们随机选择一个数组里的元素，其等价于 index = random.randint(0, len(list) - 1), return list[index]，确实是O（1）的时间复杂度。

接下来我们就要考虑 remove 随机元素对于数组来说，实际上是O（n）。但这里有一个小 trick，当我们不考虑元素在数组里的顺序时，如果我们想删除任何一个元素，就只要把它和数组的最后一个元素进行交换，然后再把数组最后一个元素 pop 掉，那么实际上这个 remove 就相当于O（1）了。这道题确实要求我们实现的是 RandomizedSet，恰好顺序在 set 里不重要。

要实现我们上述所有的 logic，我们必须有：

1. 一个数组用来存放所有的 values，
2. 一个哈希表来存放值到下标的mapping，这样每次要 delete 一个值的时候，我们都可以快速找到它的下标，来和数组的最后一个元素进行交换

时间复杂度：O（1） for all operation

空间复杂度：O（N）

class RandomizedSet:

    def __init__(self):
        self.val2index = {}
        self.values = []

    def insert(self, val: int) -> bool:
        if val not in self.val2index:
            self.values.append(val)
            self.val2index[val] = len(self.values) - 1
        else:
            return False

    def remove(self, val: int) -> bool:
        if val not in self.val2index:
            return False
        
        val_index = self.val2index[val]
        if val_index != len(self.values) - 1:
            # swap it with the last element
            last_val = self.values[-1]
            self.val2index[last_val] = val_index
            self.values[val_index] = last_val
        self.val2index.pop(val)
        self.values.pop()
        return True

    def getRandom(self) -> int:
        return random.choice(self.values)
        


# Your RandomizedSet object will be instantiated and called as such:
# obj = RandomizedSet()
# param_1 = obj.insert(val)
# param_2 = obj.remove(val)
# param_3 = obj.getRandom()