157. 用 Read4 读取 N 个字符

157. 用 Read4 读取 N 个字符

2. 题目叙述

给你一个文件，并且该文件只能通过给定的 read4 方法来读取，请实现一个方法使其能够读取 n 个字符。
read4 方法：
API read4 可以从文件中读取 4 个连续的字符，并且将它们写入缓存数组 buf 中。
返回值是实际读取的字符个数。
注意 read4() 自身拥有文件指针，很类似于 C 语言中的 FILE *fp。

read 方法：
通过使用 read4 方法，实现 read 方法。该方法可以从文件中读取 n 个字符并将其存储到缓存数组 buf 中。
返回值为实际读取的字符个数。

3. 模式识别

本题的核心在于不断调用 read4 函数读取文件内容，直到达到所需的 n 个字符或者文件读取完毕。需要考虑读取过程中各种边界情况，如文件剩余字符不足 n 个、多次调用 read4 等。

4. 考点分析

• 文件读取的模拟操作，理解如何利用有限的读取函数（read4）实现自定义的读取需求（读取 n 个字符）。
• 边界条件的处理，如读取字符数达到 n、文件读取结束等情况。
• 对缓存数组的操作和管理。

5. 所有解法

• 循环读取法：不断调用 read4 函数，将读取的字符存入 buf 中，直到读取的字符数达到 n 或者文件读取完毕。

6. 最优解法（循环读取法）的 C 语言代码

// 模拟 read4 函数，实际使用时由系统提供
int read4(char *buf4);

// read 函数实现，用于读取 n 个字符到 buf 中
int read(char *buf, int n) {
    // 用于记录已经读取的字符总数
    int totalRead = 0;
    // 临时缓冲区，用于存储每次 read4 读取的字符
    char buf4[4];
    // 记录每次 read4 实际读取的字符数
    int readCount;

    // 循环读取，直到读取的字符数达到 n 或者文件读取完毕
    while (totalRead < n) {
        // 调用 read4 函数读取字符到 buf4 中，并记录实际读取的字符数
        readCount = read4(buf4);
        // 如果 read4 返回 0，说明文件已经读取完毕，退出循环
        if (readCount == 0) {
            break;
        }
        // 计算本次可以复制到 buf 中的字符数
        // 取 readCount 和 n - totalRead 中的较小值，避免复制超过 n 个字符
        int copyCount = (readCount < n - totalRead) ? readCount : n - totalRead;
        // 将 buf4 中的字符复制到 buf 中
        for (int i = 0; i < copyCount; i++) {
            buf[totalRead + i] = buf4[i];
        }
        // 更新已经读取的字符总数
        totalRead += copyCount;
    }

    // 返回实际读取的字符数
    return totalRead;
}

7. 复杂度分析

• 时间复杂度：$O(n)$。在最坏情况下，需要调用 read4 函数 $\lceil \frac{n}{4}\rceil$ 次，每次调用 read4 函数的时间复杂度为常数，因此总的时间复杂度为 $O(n)$。
• 空间复杂度：$O(1)$。只使用了常数级的额外空间，如 buf4 数组和几个临时变量。