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如何在仅使用数组的前提下以线性时间复杂度找出最大值的所有重复项

花韻仙語

花韻仙語

发布时间:2026-02-16 14:21:13

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来源于php中文网

原创

如何在仅使用数组的前提下以线性时间复杂度找出最大值的所有重复项

本文详解如何仅用基础数组结构、不依赖哈希表等额外数据结构,在 o(n) 时间内准确识别并统计数组中最大值的全部重复出现次数。核心在于两次独立遍历的叠加仍为线性复杂度,而非平方级。

本文详解如何仅用基础数组结构、不依赖哈希表等额外数据结构,在 o(n) 时间内准确识别并统计数组中最大值的全部重复出现次数。核心在于两次独立遍历的叠加仍为线性复杂度,而非平方级。

在算法设计中,时间复杂度的分析常因对“嵌套”与“串联”操作的混淆而误判。针对“仅使用数组,查找最大值的所有重复项(即所有等于全局最大值的元素)”这一约束性问题,最优解确实可严格保持 O(n) 时间复杂度——关键在于:两次单层遍历是顺序执行(sequential),而非嵌套执行(nested)

✅ 正确解法:两趟独立扫描(Two-Pass, O(n))

第一趟扫描(找最大值):
遍历整个数组一次,记录当前遇到的最大值 maxVal。
第二趟扫描(统计重复):
再次遍历数组,对每个等于 maxVal 的元素计数(或记录索引)。

这两趟循环各自访问 n 个元素,总操作次数为 2n,根据大 O 表示法的定义,O(2n) = O(n)。它不是 O(n) × O(n)(那对应双重嵌套循环,如暴力比对每一对元素),而是 O(n) + O(n) = O(n)。

以下是简洁、可运行的 Java 示例代码:

360智图
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public static int countMaxDuplicates(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Array cannot be null or empty");
    }

    // Pass 1: Find maximum value
    int maxVal = arr[0];
    for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
        if (arr[i] > maxVal) {
            maxVal = arr[i];
        }
    }

    // Pass 2: Count occurrences of maxVal
    int count = 0;
    for (int value : arr) {
        if (value == maxVal) {
            count++;
        }
    }

    return count; // 返回最大值出现频次
}

时间复杂度:O(n)
空间复杂度:O(1)(仅使用常数个额外变量)
满足约束:纯数组,无哈希表、无排序、无额外数据结构

⚠️ 常见误区澄清

  • ❌ “两个 for 循环 = O(n²)” 是典型误解:只有当内层循环依赖外层迭代变量(如 for (i...) for (j=i... ))时才构成嵌套。此处两循环完全独立,可合并为一次遍历(见下文优化),但即使分开写,复杂度仍是线性。
  • ❌ 尝试“一趟完成”并非必要优化:虽可通过单次遍历同时更新最大值和计数(例如:遇更大值则重置计数;遇相等值则累加),但这属于代码实现细节的微调,不改变渐进时间复杂度,仍为 O(n)。且单遍逻辑稍复杂,易出错,而双遍结构清晰、可读性强、易于验证正确性。

? 单遍优化版本(可选,非必需)

若追求极致简洁,亦可合并为一次扫描:

public static int countMaxDuplicatesOnePass(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length == 0) throw new IllegalArgumentException();

    int maxVal = arr[0], count = 1;
    for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
        if (arr[i] > maxVal) {
            maxVal = arr[i];
            count = 1; // reset count for new max
        } else if (arr[i] == maxVal) {
            count++;
        }
    }
    return count;
}

该版本逻辑稍密,但复杂度仍为 O(n),且节省一次遍历开销(常数级提升)。实际工程中可根据可维护性权衡选择。

✅ 总结

  • 在仅允许使用原始数组的硬性约束下,O(n) 是理论最优且可达的时间复杂度
  • 核心洞察在于区分“串联遍历”与“嵌套遍历”——前者是线性叠加,后者才是多项式增长;
  • 无需哈希表、无需排序、无需额外空间,纯粹依靠两次(或一次)顺序扫描即可严谨求解;
  • 算法稳健、边界清晰(需处理空数组等异常)、易于测试与复用。

掌握这一分析范式,有助于在各类资源受限场景(如嵌入式系统、内存敏感任务)中快速构建高效、合规的解决方案。

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