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高效解决二进制子数组和为定值问题:滑动窗口与“间隙建模”双策略解析

心靈之曲

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发布时间:2026-02-19 11:05:00

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高效解决二进制子数组和为定值问题:滑动窗口与“间隙建模”双策略解析

本文深入剖析二进制数组中和为 goal 的非空连续子数组计数问题,指出朴素双指针的逻辑缺陷,并基于“1的位置间隙建模”提出严谨、线性时间的最优解法,特别处理 goal = 0 等边界情形。

本文深入剖析二进制数组中和为 `goal` 的非空连续子数组计数问题,指出朴素双指针的逻辑缺陷,并基于“1的位置间隙建模”提出严谨、线性时间的最优解法,特别处理 `goal = 0` 等边界情形。

在 LeetCode 第 930 题 Binary Subarrays With Sum 中,给定仅含 0 和 1 的数组 nums 与目标整数 goal,要求返回和恰好等于 goal 的非空连续子数组个数。初看易联想到经典滑动窗口(双指针)解法,但题干隐含关键约束:数组元素非负(实为 0/1),且 goal 可为 0——这使得标准“收缩左边界直到 sum ≤ goal”的策略失效,尤其在全零数组等边缘场景下极易漏解。

原提问者实现的双指针逻辑存在根本性缺陷:当 sumSoFar == goal 时,仅单向扩展右指针或收缩左指针,却未考虑同一窗口内存在多个合法子数组起点与终点组合。例如对 nums = [0,0,0,0], goal = 0,所有长度 ≥1 的子数组均满足条件(共 10 个),但其算法因无法回溯探索不同 (i, j) 组合而仅统计部分结果(输出 10 而非期望的 15)。问题本质在于:当窗口和固定为 goal 时,左右边界的移动并非互斥,而是可独立选择的自由度

核心洞见:将问题转化为“1 的间隙计数”

真正高效的解法不依赖动态调整窗口,而是进行结构化预处理:聚焦 1 的位置,将数组划分为若干由 1 分隔的“零区间”(gaps)。关键观察如下:

  • 若 goal > 0,任一满足条件的子数组必须恰好包含 goal 个 1,且其左右边界必然落在包围这 goal 个 1 的相邻零区间内。
  • 设第 k 个 1 前有 a 个连续 0(含该 1 自身位置),第 k+goal-1 个 1 后有 b 个连续 0,则以这 goal 个 1 为核心的所有合法子数组数量为 a × b(左端点有 a 种选法,右端点有 b 种选法)。
  • 因此,我们可构建 gaps 数组:gaps[i] 表示第 i 个 1 到前一个 1(或数组起点)的距离 + 1(即包含当前 1 的左侧零段长度)。末尾额外追加一段尾部零区间长度 + 1。

例如 nums = [0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,0], goal = 2:

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  • 1 的索引为 [4,6,9]
  • gaps = [4-0+1, 6-4+1, 9-6+1, 11-9+1] = [5,3,4,3](注:实际实现中需统一偏移,见下方代码)
  • 对 goal=2,需计算 gaps[0]*gaps[2] + gaps[1]*gaps[3] = 5×4 + 3×3 = 20 + 9 = 29(此处为示意,精确构造见代码)

特殊处理:goal == 0

当 goal = 0 时,所有合法子数组均由连续 0 构成。若某段连续 0 长度为 L,则其贡献的子数组数为 L*(L+1)/2(即长度为 1 至 L 的所有子数组数量和)。这正是三角形数公式,可直接计算。

完整实现与说明

class Solution:
    def numSubarraysWithSum(self, nums, goal):
        # 步骤1:构建gaps数组——记录每个'1'与其前一个'1'(或数组起始)之间的距离+1
        # gaps[0] = 第一个1的位置 + 1(即从索引0到第一个1含多少个元素)
        # gaps[i] (i>0) = 第i个1与第i-1个1之间的距离(含第i个1)
        # 最后一个gap = 数组长度 - 最后一个1的索引(即尾部0的个数 + 1)
        gaps = []
        last_one_idx = -1  # 记录上一个1的索引,初始设为-1便于计算第一个1
        for i, x in enumerate(nums):
            if x == 1:
                gaps.append(i - last_one_idx)  # 当前1与上一个1的距离(含当前1)
                last_one_idx = i
        # 添加尾部gap:从最后一个1到数组末尾的长度 + 1(因为最后一个1已计入前面gap)
        gaps.append(len(nums) - last_one_idx)

        if goal == 0:
            # 对每个gap(代表一段连续0的长度),计算其内部子数组数:L*(L-1)//2
            # 注意:gaps[i] 是包含1的区间长度,但goal=0时我们只关心纯0段
            # 实际上,上述gaps构造中,每个gap减1才是纯0段长度(除首尾可能)
            # 更稳健做法:单独提取纯0段长度
            total = 0
            zeros = 0
            for x in nums:
                if x == 0:
                    zeros += 1
                else:
                    total += zeros * (zeros + 1) // 2
                    zeros = 0
            total += zeros * (zeros + 1) // 2
            return total
        else:
            # goal >= 1:gaps[i] 表示第i个1左侧(含自身)的“有效起点数”
            # 我们需要取 gaps[i] * gaps[i+goal],其中 i+goal < len(gaps)
            # 因为第i个1到第i+goal-1个1构成goal个1,其左侧有gaps[i]种起点,右侧有gaps[i+goal]种终点
            if len(gaps) <= goal:
                return 0
            return sum(gaps[i] * gaps[i + goal] for i in range(len(gaps) - goal))

关键修正说明:原始答案中的 gaps 构造存在索引歧义。本实现采用更清晰的定义——gaps[i] 严格表示第 i 个 1 所在位置及其左侧连续 0 的总跨度(即从上一个 1 后一位到当前 1 的元素个数)。这样 gaps[i] * gaps[i+goal] 直观对应以第 i 至 i+goal-1 个 1 为核心的子数组数量。

注意事项与总结

  • 时间复杂度:O(n),仅需两次遍历(构建 gaps 和求和);空间复杂度:O(k),k 为 1 的个数,最坏 O(n)。
  • 避免常见错误
    • 不要尝试用普通双指针处理 goal=0,它无法枚举所有零子数组组合;
    • gaps 数组的构造必须保证语义一致,推荐使用“1 的位置差”方式,而非模糊的“零个数+1”;
    • 当 goal > 1 的个数时,直接返回 0(len(gaps)
  • 本质思想:将子数组计数问题升维为组合数学问题——通过定位关键元素(1)并量化其周围自由度(0 的分布),将连续性约束转化为离散乘积运算,从而规避动态窗口的路径依赖缺陷。

此方法不仅正确覆盖所有边缘案例(如全零、单 1、goal=0),更体现了算法设计中“问题转化”与“结构洞察”的核心能力。

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