LeetCode952三部曲之二:小幅度优化(137ms -> 122ms,超39% -> 超51%)

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小编点评

**优化前数据** ```python # 对数组中的每个数,算出所有质因数,构建map for key in map.keySet(): # 每个key都是一个质因数 # 每个value都是这个质因数对应的数字 List<Integer> list = map.get(key) int size = list.size() # 超过1个元素才有必要合并 if size>1: # 取第0个元素作为父节点 int parent = list.get(0) # 将其他节点全部作为地0个元素的子节点 for(int i=1;i<size;i++) { union(parent, list.get(i)); } ``` **优化后数据** ```python # 对数组中的每个数,算出所有质因数,构建map for key in map.keySet(): # 每个key都是一个质因数 # 每个value都是这个质因数对应的数字 List<Integer> list = map.get(key) int size = list.size() # 超过1个元素才有必要合并 if size>1: # 取第0个元素作为父节点 int parent = list.get(0) # 将其他节点全部作为地0个元素的子节点 for(int i=1;i<size;i++) { union(parent, list.get(i)); } # 取第1个元素作为父节点 int grandparent = list.get(1) # 将其他节点全部作为地0个元素的子节点 for(int i=2;i<size;i++) { union(parent, list.get(i)); } ``` **代码描述** 这代码展示了如何使用优化算法来提高对数组中每个数的质因数的计算效率。通过构建map,并使用循环和递归来合并质因数的子节点,最终可以获得比优化前更高效率的计算结果。

正文

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本篇概览

  • 本文是《LeetCode952三部曲》系列之二,在前文中,咱们详细分析了解题思路,然后按照思路写出了代码,在LeetCode提交成功,成绩如下图所示,137ms,超过39%
    在这里插入图片描述
  • 不得不说这个成绩很不理想,于是今天咱们来尝试进行优化,以减低时间,提升百分比

优化点预判

  • 回顾一下题目要求,如下所示
    在这里插入图片描述
  • 上图中有个重要条件:入参数组中,最大值不超过100000
  • 回顾咱们在初始化并查集数据结构的时候,需要满足数组下标代表数字身份这个特性,例如fathers[100000]=123的含义是数字100000的父节点是123,所以数组长度必须是100001,代码如下
int[] fathers = new int[100001];
  • 而在实际的并查集操作中,如果入参是4,6,15,35这四个数字,那么fathers这个数组中真正被我们用到的也就只有fathers[4]、fathers[6]、fathers[15]、fathers[35]这四个元素,其他100001-4=99997个元素都没有用到,而代码中还要为这些无用的元素分配空间,还要消耗时间去初始化,这是极大的浪费
  • 对于另一个数组rootSetSize,用于记录下标位置元素的子树大小,亦是如此,99997个元素也都浪费了
  • 以上就是要优化的地方:如果入参是四个数字,那么fathers和rootSetSize的大小能缩减到四吗?
  • 这就需要分析一下了

优化分析

  • 先回顾一下解题思路,整个流程如下图所示
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  • 假设此题的入参是这四个数字:4,6,15, 35,回顾什么时候咱们会用到这四个数字,显然计算每个数字的质因数的时候必然会用到,计算完成后,得到了下图的关系(这是前文的内容)
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  • 然后,咱们根据上图,得到了每个质因数对应的数字集合,也就是下图
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  • 看着上图,重点来了:从上图开始,再到后面的并查集操作,再到最终的结束,都不会用4、6、15、35这样的数字去计算什么了

  • 所以,上面那幅图中的4、6、15、35,是不是可以替换成他们在入参数组中的下标?假设入参数组是[4,6,15,35],他们的数组下标就分别是:0、1、2、3

  • 将数字替换成数组下标后,上面那幅图的内容就有了变化,变成了下图的样子,之前的[4,6,15,35]四个数字变成了[0,1,2,3]
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  • 接下来的并查集操作中,也可以用[0,1,2,3]取代[4,6,15,35]也可以吗?

  • 当然可以,之前是合并4和6,现在变成了合并0和1,题目是要的是连通的数量,而某个唯一的数字到底是4还是它的数组下标0,这不重要了,重要的是合并不能有错就行

  • 这样替换后,如果入参是四个数字,不论值是多少,在并查集操作时,只需要用到它们的数组下标:0、1、2、3,最大也只有3

  • 这就有意思了,数组fathers和rootSetSize的大小从100001变成了入参数组的长度!

  • 准备工作完成了,可以正式动手优化了

优化代码

  • 首先,要修改的是定义fathers和rootSetSet的代码,之前是创建固定长度的数组,现在改成先不创建,而是等到后面知道入参数组长度的时候再说
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  • 然后是largestComponentSize方法中的内容,如下图,存入map的时候,以前存入的是入参的数字,现在传入的是数字对应的数组下标
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  • 最后还看到一些代码略有瑕疵,于是顺手改了,如下图,其实影响不大
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  • 以上就是改动的全部了
  • 最后附上优化后的完整源码
class Solution {
    
    // 并查集的数组, fathers[3]=1的意思是:数字3的父节点是1
//    int[] fathers = new int[100001];
    int[] fathers;

    // 并查集中,每个数字与其子节点的元素数量总和,rootSetSize[5]=10的意思是:数字5与其所有子节点加在一起,一共有10个元素
//    int[] rootSetSize = new int[100001];
    int[] rootSetSize;

    // map的key是质因数,value是以此key作为质因数的数字
    // 例如题目的数组是[4,6,15,35],对应的map就有四个key:2,3,5,7
    // key等于2时,value是[4,6],因为4和6的质因数都有2
    // key等于3时,value是[6,15],因为6和16的质因数都有3
    // key等于5时,value是[15,35],因为15和35的质因数都有5
    // key等于7时,value是[35],因为35的质因数有7
    Map<Integer, List<Integer>> map = new HashMap<>();

    // 用来保存并查集中,最大树的元素数量
    int maxRootSetSize = 1;

    /**
     * 带压缩的并查集查找(即寻找指定数字的根节点)
     * @param i
     */
    private int find(int i) {
        // 如果执向的是自己,那就是根节点了
        if(fathers[i]==i) {
            return i;
        }

        // 用递归的方式寻找,并且将整个路径上所有长辈节点的父节点都改成根节点,
        // 例如1的父节点是2,2的父节点是3,3的父节点是4,4就是根节点,在这次查找后,1的父节点变成了4,2的父节点也变成了4,3的父节点还是4
        fathers[i] = find(fathers[i]);
        return fathers[i];
    }

    /**
     * 并查集合并,合并后,child会成为parent的子节点
     * @param parent
     * @param child
     */
    private void union(int parent, int child) {
        int parentRoot = find(parent);
        int childRoot = find(child);

        // 如果有共同根节点,就提前返回
        if (parentRoot==childRoot) {
            return;
        }

        // child元素根节点是childRoot,现在将childRoot的父节点从它自己改成了parentRoot,
        // 这就相当于child所在的整棵树都拿给parent的根节点做子树了
        fathers[childRoot] = fathers[parentRoot];

        // 合并后,这个树变大了,新增元素的数量等于被合并的字数元素数量
        rootSetSize[parentRoot] += rootSetSize[childRoot];

        // 更像最大数量
        maxRootSetSize = Math.max(maxRootSetSize, rootSetSize[parentRoot]);
    }

    public int largestComponentSize(int[] nums) {

        // 对数组中的每个数,算出所有质因数,构建map
        for (int i=0;i<nums.length;i++) {
            int cur = nums[i];

            for (int j=2;j*j<=cur;j++) {
                // 从2开始逐个增加,能整除的一定是质数
                if(cur%j==0) {
//                    map.computeIfAbsent(j, key -> new ArrayList<>()).add(nums[i]);
                    map.computeIfAbsent(j, key -> new ArrayList<>()).add(i);
                }

                // 从cur中将j的因数全部去掉
                while (cur%j==0) {
                    cur /= j;
                }
            }

            // 能走到这里,cur一定是个质数,
            // 因为nums[i]被除过多次后结果是cur,所以nums[i]能被cur整除,所以cur是nums[i]的质因数,应该放入map中
            if (cur!=1) {
//                map.computeIfAbsent(cur, key -> new ArrayList<>()).add(nums[i]);
                map.computeIfAbsent(cur, key -> new ArrayList<>()).add(i);
            }
        }

        fathers = new int[nums.length];
        rootSetSize = new int[nums.length];

        // 至此,map已经准备好了,接下来是并查集的事情,先要初始化数组
        for(int i=0;i< fathers.length;i++) {
            // 这就表示:数字i的父节点是自己
            fathers[i] = i;
            // 这就表示:数字i加上其下所有子节点的数量等于1(因为每个节点父节点都是自己,所以每个节点都没有子节点)
            rootSetSize[i] = 1;
        }

        // 遍历map
        for (int key : map.keySet()) {
            // 每个key都是一个质因数
            // 每个value都是这个质因数对应的数字
            List<Integer> list = map.get(key);

            int size = list.size();

            // 超过1个元素才有必要合并
            if (size>1) {
                // 取第0个元素作为父节点
                int parent = list.get(0);

                // 将其他节点全部作为地0个元素的子节点
                for(int i=1;i<size;i++) {
                    union(parent, list.get(i));
                }
            }
        }

        return maxRootSetSize;
    }

}
  • 写完代码,提交LeetCode,顺利AC,咱们将优化前和优化后的数据放在一起对比一下,如下图,左边是优化前,右边是优化后,虽然不能算大幅度提升,但勉强算是有明显提升了
    在这里插入图片描述
  • 至此,第一次优化就完成了,超过50%的成绩依旧很一般,还能进一步提升吗?大幅度提升那种
  • 答案自然是可以,感谢咱们这两篇的努力,让我们对解题思路有了深刻理解,接下来,期待第三篇吧,我们会来一次更有效的优化
  • 剧透一下:优化点和算素数有关

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