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 前言

大家好，我是bigsai，今天忙到爆炸(暫不透露以后透露)，給大家分享一個(gè)巧妙的問(wèn)題，五分鐘掌握。

今天在刷題時(shí)候，遇到一個(gè)hard問(wèn)題，也是挺有意思，在劍指offer的第41題和力扣【數(shù)據(jù)流中的中位數(shù)】。

題目描述是這樣的：

中位數(shù)是有序列表中間的數(shù)。如果列表長(zhǎng)度是偶數(shù)，中位數(shù)則是中間兩個(gè)數(shù)的平均值。

例如，

[2,3,4] 的中位數(shù)是 3

[2,3] 的中位數(shù)是 (2 + 3) / 2 = 2.5

設(shè)計(jì)一個(gè)支持以下兩種操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

void addNum(int num) - 從數(shù)據(jù)流中添加一個(gè)整數(shù)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

double findMedian() - 返回目前所有元素的中位數(shù)。

其實(shí)問(wèn)題也很簡(jiǎn)單，也就是一組數(shù)據(jù)，找出它的中位數(shù)，然后有所不同的是這組數(shù)據(jù)可能會(huì)新增一些其他數(shù)據(jù)，也就是要我們自己維護(hù)這么一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去盡量高效的完成它。

我打開(kāi)這題力扣上的額描述，它好像就在誘惑我，告訴我什么!

然后我就以為真實(shí)的數(shù)據(jù)就在這個(gè)范圍，然后一頓操作猛如虎，一提交直接GG。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題是個(gè)非常好的問(wèn)題，等到后面講，仔細(xì)先看看!

好了不多說(shuō)了，我們進(jìn)入正題，看看這個(gè)經(jīng)典問(wèn)題到底如何分析。

小白級(jí)別方法(無(wú)腦排序)

這個(gè)問(wèn)題的解決老少皆宜，小白也有小白的方法，題不在難，能過(guò)就行(只對(duì)小白有效哇)。

一組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，我用數(shù)組、List都可以，而中位數(shù)，其實(shí)就是中間一個(gè)(偶數(shù)兩個(gè)均值)數(shù)，這個(gè)也好辦啊，排序啊!

一個(gè)ArrayList()海納百川(不定長(zhǎng)數(shù)組可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù))，一行Arrays.sort()走天下。用編程語(yǔ)言中已經(jīng)存在的集合和API可以輕松實(shí)現(xiàn)!

分析一下這個(gè)算法的時(shí)間復(fù)雜度，每次插入時(shí)候需要排序 nlogn，查詢時(shí)間近O(1);次數(shù)多的話時(shí)間復(fù)雜度還是蠻高的。

具體代碼為：

/** initialize your data structure here. */ 
public MedianFinder() { 
 
} 
 
List<Integer>list=new ArrayList<>(); 
public void addNum(int num) { 
    list.add(num); 
    list.sort(null); 
} 
public double findMedian() { 
    if(list.size()%2==1) 
        return list.get(list.size()/2); 
    else { 
        return (double) (list.get((list.size()-1)/2)+list.get(list.size()/2))/2; 
    }  
} 

一看結(jié)果，2000+ms，這也是一種極限了，這種方法僅限于小白，只為求過(guò)。

大白級(jí)別的方法(插入排序)

大白比小白稍微強(qiáng)一點(diǎn)，比較它大一點(diǎn)嘛，懂得多一點(diǎn)。

大白看到：這個(gè)序列剛開(kāi)始沒(méi)有!然后一點(diǎn)一點(diǎn)在原有的基礎(chǔ)上增加長(zhǎng)度，如果每次都打亂排序那代價(jià)有點(diǎn)高!所以能不能復(fù)用上次已經(jīng)排好序的結(jié)果?

這不就插入排序嘛!

每次新來(lái)元素相當(dāng)于插入排序的最后一步使他有序，然后在插入……

這個(gè)流程每次插入的時(shí)候由兩個(gè)部分組成，查找和移動(dòng)，其中查找花費(fèi)O(n),插入也是O(n)。時(shí)間復(fù)雜度依然是O(n)。

可以維護(hù)常數(shù)表示數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)，查找中位數(shù)時(shí)候可以直接根據(jù)數(shù)量查找，時(shí)間復(fù)雜度為O(1).這樣的時(shí)間復(fù)雜度在插入上優(yōu)化為O(n)相比O(nlogn)有很大的提升。

但是聰明的大白還能發(fā)現(xiàn)一些閃光點(diǎn)，數(shù)組前面有序的，只是插入最后一個(gè)元素需要鎖定在有序順序結(jié)構(gòu)中的位置，線性一個(gè)個(gè)查找太耗時(shí)了哇!這明顯就是一個(gè)二分應(yīng)用的場(chǎng)景么!可以使用二分法找到插入的位置，然后插入。

二分+插入的時(shí)間復(fù)雜度是多少呢?

記住，不是O(logn),二分查找每一次的時(shí)間復(fù)雜度確實(shí)是O(logn)，但插入操作的時(shí)間復(fù)雜度依舊是O(n),總的時(shí)間復(fù)雜度取最高量級(jí) O(logn)+O(n)=O(n)。

所以這里以后如果遇到某個(gè)面試官問(wèn)你：插入排序使用二分查找優(yōu)化時(shí)間復(fù)雜度是多少?你一定要堅(jiān)定的回答：是O(n2),從單詞操作來(lái)看，雖然查詢變?yōu)镺(logn)但是插入依舊O(n)，所以n個(gè)數(shù)時(shí)間復(fù)雜度依舊為O(n2)。

好了既然解釋清楚,一頓操作猛如虎，直接上代碼：

class MedianFinder { 
 
    /** initialize your data structure here. */ 
    public MedianFinder() { 
 
    } 
    int arr[]=new int[50000]; 
    int count=0; 
    public void addNum(int num) { 
        int low=0,high=count-1; 
        while (low <= high) { 
            int mid = (low + high) / 2; 
            int midVal = arr[mid]; 
 
            if (midVal < num) 
                low = mid + 1; 
            else if (midVal > num) 
                high = mid-1 ; 
            else  
                low++; 
        } 
 
        for(int i=count-1;i>=low;i--){ 
            arr[i+1]=arr[i]; 
        } 
        arr[low]=num; 
        count++; 
    } 
    public double findMedian() { 
 
        if(count%2==1) 
            return arr[count/2]; 
        else  
            return (double) (arr[count/2-1]+arr[count/2])/2; 
    } 
} 

提交之后，200+ms，比起前面小白的無(wú)腦排序優(yōu)化了很多，但只擊敗了10%用戶，說(shuō)明方法還是不夠好，還是很白。

大佬的解法(雙堆/優(yōu)先隊(duì)列)

這個(gè)問(wèn)題的話其實(shí)也能想出來(lái)，但是確實(shí)除了這個(gè)問(wèn)題沒(méi)見(jiàn)到兩個(gè)隊(duì)這么玩的，也算是打開(kāi)眼界一回。

在前面，我們講過(guò)堆排序 和優(yōu)先隊(duì)列的原理 ,里面詳細(xì)的講解了 堆這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們簡(jiǎn)單回顧一下堆：

堆是一種完全二叉樹(shù)(即最后一層從左向右存在節(jié)點(diǎn)連續(xù))，因?yàn)槭峭耆鏄?shù)我們經(jīng)常用數(shù)組存儲(chǔ)，可以通過(guò)二叉樹(shù)下標(biāo)轉(zhuǎn)換很好的鎖定位置進(jìn)行交換。

堆分為大根堆和小根堆：

如果所有節(jié)點(diǎn)大于孩子節(jié)點(diǎn)值，那么這個(gè)堆叫做大根堆，堆的最大值在根節(jié)點(diǎn)。

如果所有節(jié)點(diǎn)小于孩子節(jié)點(diǎn)值，那么這個(gè)堆叫做小根堆，堆的最小值在根節(jié)點(diǎn)。

了解完這些基本解決這題就夠了，這里不需要知道堆、優(yōu)先隊(duì)列的具體實(shí)現(xiàn)。但是堆和優(yōu)先隊(duì)列，怎么應(yīng)用到這個(gè)中位數(shù)查找呢?

這個(gè)就很巧妙了，我們將數(shù)據(jù)等半分到兩個(gè)堆中，其中一個(gè)是小根堆，一個(gè)是大根堆，小根堆存最大的一半數(shù)據(jù)，大的中最小的在堆頂;大根堆存最小的一半數(shù)據(jù)，小的中最大的在堆頂，中位數(shù)就只可能在兩個(gè)堆頂部分產(chǎn)生啦!

但是在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，也有很多需要注意的地方，再添加時(shí)候要先判斷和其中一個(gè)堆頂比較大小，應(yīng)該加到哪一個(gè)堆(優(yōu)先隊(duì)列)中，但是添加之后可能數(shù)值一直遞增很大或者數(shù)值一直遞減很小可能造成兩個(gè)堆元素?cái)?shù)量不平衡，那么就要將其中少的加到多的中。

這里我在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候約束小根堆的元素個(gè)數(shù)等于大根堆個(gè)數(shù)(偶數(shù))或者等于大根堆個(gè)數(shù)加一(奇數(shù))，在奇數(shù)情況就直接取小根堆頂返回即可。因?yàn)镴ava已經(jīng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先隊(duì)列，你不需要詳細(xì)實(shí)現(xiàn)其中細(xì)節(jié)(大佬可以試試參考以前我寫的優(yōu)先隊(duì)列實(shí)現(xiàn))。

分析這個(gè)時(shí)間復(fù)雜度，每個(gè)堆插入、刪除的時(shí)間復(fù)雜度級(jí)別是O(log n/2)，即使如果面臨元素平衡可能多操作兩次，但是時(shí)間復(fù)雜度還是O(logn)級(jí)別。比起O(n)快了不少，數(shù)據(jù)量越大體現(xiàn)越明顯。

具體代碼為：

class MedianFinder { 
 
    /** initialize your data structure here. */ 
    public MedianFinder() { 
 
    } 
    Queue<Integer>q1=new PriorityQueue<>();//小根堆 放大的數(shù)據(jù) 
    //大根堆 
    Queue<Integer>q2=new PriorityQueue<>(new Comparator<Integer>() { 
        @Override 
        public int compare(Integer o1, Integer o2) { 
            return o2-o1; 
        } 
    }); 
    public void addNum(int num) { 
       if(q1.isEmpty()) 
            q1.add(num); 
        else if(num>q1.peek()){//插入到小根堆 
            q1.add(num); 
           if (q1.size()>q2.size()+1){ 
              q2.add(q1.poll()); 
            } 
        } 
        else{//插入到大根堆 
            q2.add(num); 
            if (q2.size()>q1.size()){ 
            q1.add(q2.poll()); 
            } 
        } 
 
    } 
    public double findMedian() { 
        if(q1.size()==q2.size()) 
            return (double)(q1.peek()+q2.peek())/2; 
        else  
            return q1.peek(); 
    } 
} 

執(zhí)行區(qū)間75ms，比起上一個(gè)大白又好很多，這個(gè)雙堆，真的太妙了!我也是第一次見(jiàn)。

提升

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，還有一些妖魔鬼怪用二叉搜索樹(shù)來(lái)做，理論上也是可行的，插入效率不一定很穩(wěn)定，查詢效率比較低(二叉樹(shù)的中序排序)。

但是文初提到的場(chǎng)景問(wèn)題還是要仔細(xì)思考一下，面試場(chǎng)景很可能會(huì)問(wèn)到：

1.如果數(shù)據(jù)流中所有整數(shù)都在 0 到 100 范圍內(nèi)，你將如何優(yōu)化你的算法?

2.如果數(shù)據(jù)流中 99% 的整數(shù)都在 0 到 100 范圍內(nèi)，你將如何優(yōu)化你的算法?

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該用什么方法優(yōu)化呢?

如果還是采用傳統(tǒng)的雙堆，如果數(shù)據(jù)量非常大的情況下，效率肯定還是有優(yōu)化空間，當(dāng)數(shù)據(jù)比較集中分布的時(shí)候，肯定要考慮計(jì)數(shù)排序啊!

如果數(shù)據(jù)分布在0-100之間，可以直接開(kāi)一個(gè)101大小的數(shù)組，遇到一個(gè)數(shù)就將其對(duì)應(yīng)位置值加一，不光0-100 可以這樣，在某個(gè)范圍內(nèi)都可以通過(guò)移動(dòng)表示。

然后你找到中位數(shù)，只需要枚舉疊加找到中間位置的數(shù)啦。

不過(guò)你可以再進(jìn)行優(yōu)化，將這個(gè)計(jì)數(shù)排序修改一下，用數(shù)組值表示小于當(dāng)前位置值的個(gè)數(shù)。這樣這個(gè)數(shù)組值是連續(xù)遞增的，查找的時(shí)候還可以使用二分優(yōu)化。

不過(guò)具體實(shí)現(xiàn)上，可能還有一些你需要考慮的，分析算法復(fù)雜度，每次插入操作，對(duì)應(yīng)小標(biāo)以及之后值都要加一，所以操作次數(shù)不超過(guò)50，而查詢操作使用二分法也不超過(guò)10次，所以在數(shù)據(jù)比較集中 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)很多有大量重復(fù)情況，使用計(jì)數(shù)排序是非常好的。

另外，如果99%在0-100范圍內(nèi)也很容易哇，就是在前后邊緣特意設(shè)置0和102，超過(guò)100的放到102號(hào)，小于0的放到0位置，剩下每次來(lái)x放x+1位置，因?yàn)橹形粩?shù)肯定出現(xiàn)在0-100所以這個(gè)依舊可行!