380. O(1) 时间插入、删除和获取随机元素

实现RandomizedSet 类：

  • RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
  • bool insert(int val) 当元素 val 不存在时，向集合中插入该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
  • bool remove(int val) 当元素 val 存在时，从集合中移除该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
  • int getRandom() 随机返回现有集合中的一项（测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素）。每个元素应该有 相同的概率 被返回。

你必须实现类的所有函数，并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1) 。

示例：

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输入
["RandomizedSet", "insert", "remove", "insert", "getRandom", "remove", "insert", "getRandom"]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]

解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ，表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ，返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中，所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字，getRandom 总是返回 2 。

提示：

  • -231 <= val <= 231 - 1
  • 最多调用 insert、remove 和 getRandom 函数 2 * ``105 次
  • 在调用 getRandom 方法时，数据结构中 至少存在一个 元素。

算法思路：

因为要求时间复杂度在O(1)，支持查询数据时间复杂度在O(1)的数据结构有数组，

支持插入和删除在O(1)的数据结构有链表和哈希表，但是链表获取到元素需要O(N)的时间复杂度。

所以使用哈希表和数组进行配合来完成。

代码实现：

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public class RandomizedSet {
    //用于存储元素
    List<Integer> nums = new ArrayList<>();
    //用于插入和删除时使用，键为元素值，值为元素在数组中的下标
    Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    //用于随机获取元素
    Random random = new Random();


    /**
     * 插入数据，先判断哈希表中是否含有该元素，如果有了则直接返回false
     * 将元素添加到数组中,并将元素值存入哈希表
     * @param val
     * @return
     */
    public boolean insert(int val) {
        //判断哈希表中是否含有该元素，如果有了则直接返回false
        if (map.containsKey(val)) {
            return false;
        }
        //获取数组最后一位的下标
        int index = nums.size();
        nums.add(val);
        //将值更新在哈希表中
        map.put(val, index);
        return true;
    }

    /**
     * 首先判断哈希表中是否存在该元素，如果不存在则直接返回false
     * 如果存在则获取下标，在数组中查找到该元素，将数组最后一个元素覆盖到当前位置
     * 更新最后一个元素的索引，然后将最后一个元素移除
     * 然后更新哈希表，将哈希表中该元素的键值对也移除
     * @param val
     * @return
     */
    public boolean remove(int val) {
        //首先判断哈希表中是否存在该元素，如果不存在则直接返回false
        if (!map.containsKey(val)) {
            return false;
        }
        //在哈希表中获取要删除元素的索引
        int index = map.get(val);
        int size = nums.size();
        //数组中最后一个元素
        int end = nums.get(size - 1);
        //将最后一个元素放置在当前要删除的元素位置上
        nums.set(index, end);
        //更新元素下标
        map.put(end, index);
        //数组移除
        nums.remove(size - 1);
        //哈希表移除
        map.remove(val);
        return true;

    }

    /**
     * 限定范围在数组大小，然后随机返回数组中的元素
     * @return
     */
    public int getRandom() {

        int randomIndex = random.nextInt(nums.size());
        return nums.get(randomIndex);
    }


}