LeetCode 面试经典 150_数组/字符串_O(1）时间插入、删除和获取随机元素（12_380_C++_中等）(哈希表)

题目描述：

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) 。

输入输出样例：

示例 1：
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。

题解：

解题思路：

思路一（哈希表）：

1、主要实现插入、删除和随机返回一个元素。
① 插入：若之前存在该元素则返回false，否则插入该元素。
② 删除：之前存在该元素则删除，否则返回false。
③ 随机返回一个元素：使用随机函数随机返回一个元素。
插入和删除需判断之前元素是否存在，可以使用哈希表快速的查找。随机返回一个值，可以使用随机返回数组下标区间来实现。所以哈希表的 key = 插入元素的值，value=插入元素的下标（插入元素插入数组的末尾）。
在进行删除元素时，可通过哈希表中的对应关系映射到该元素的数组下标，通过将此元素与数组的最后一个元素值的交换来达到快速删除元素的目的。

2、复杂度分析：
① 时间复杂度：初始化和各项操作的时间复杂度都是 O(1)。
② 空间复杂度：O(n)，其中 n 是集合中的元素个数。存储元素的数组和哈希表需要 O(n) 的空间。

代码实现（思路一（哈希表））：

class RandomizedSet {
private:vector<int> nums;  // 存储所有的元素unordered_map<int, int> mp;  // 存储元素及其对应的索引位置，用于快速查找public:// 构造函数，初始化 nums 和 mpRandomizedSet() {nums.clear();  // 清空 nums 数组mp.clear();    // 清空哈希映射 mp}// 插入一个元素bool insert(int val) {// 如果 val 不在 mp 中，说明该元素未插入过if (!mp.count(val)){// 将 val 加入 numsnums.push_back(val);// 更新哈希表，记录 val 在 nums 中的索引位置mp[val] = nums.size() - 1;return true;  // 返回 true，表示插入成功}return false;  // 返回 false，表示 val 已经存在}// 移除一个元素bool remove(int val) {// 如果 val 在 mp 中，说明存在该元素if (mp.count(val)){// 获取 val 在 nums 中的索引位置int pos = mp[val];// 将 nums 中最后一个元素与要删除的元素交换位置nums[pos] = nums[nums.size() - 1];// 更新交换后的元素在 mp 中的索引mp[nums[pos]] = pos;// 移除 nums 中的最后一个元素nums.pop_back();// 从 mp 中删除 valmp.erase(val);return true;  // 返回 true，表示删除成功}return false;  // 返回 false，表示 val 不存在}// 返回一个随机元素int getRandom() {// 返回 nums 中的一个随机元素，使用 rand() % nums.size() 来生成一个合法的索引return nums[rand() % nums.size()];}
};

以思路一为例进行调试

#include<iostream>
#include<vector>
#include<unordered_map>
using namespace std;class RandomizedSet {
private:vector<int> nums;  // 存储所有的元素unordered_map<int, int> mp;  // 存储元素及其对应的索引位置，用于快速查找public:// 构造函数，初始化 nums 和 mpRandomizedSet() {nums.clear();  // 清空 nums 数组mp.clear();    // 清空哈希映射 mp}// 插入一个元素bool insert(int val) {// 如果 val 不在 mp 中，说明该元素未插入过if (!mp.count(val)){// 将 val 加入 numsnums.push_back(val);// 更新哈希表，记录 val 在 nums 中的索引位置mp[val] = nums.size() - 1;return true;  // 返回 true，表示插入成功}return false;  // 返回 false，表示 val 已经存在}// 移除一个元素bool remove(int val) {// 如果 val 在 mp 中，说明存在该元素if (mp.count(val)){// 获取 val 在 nums 中的索引位置int pos = mp[val];// 将 nums 中最后一个元素与要删除的元素交换位置nums[pos] = nums[nums.size() - 1];// 更新交换后的元素在 mp 中的索引mp[nums[pos]] = pos;// 移除 nums 中的最后一个元素nums.pop_back();// 从 mp 中删除 valmp.erase(val);return true;  // 返回 true，表示删除成功}return false;  // 返回 false，表示 val 不存在}// 返回一个随机元素int getRandom() {// 返回 nums 中的一个随机元素，使用 rand() % nums.size() 来生成一个合法的索引return nums[rand() % nums.size()];}
};int main(int argc, char const *argv[])
{RandomizedSet obj;cout<<"[]"<<endl;cout<<"obj.insert(1)="<<(obj.insert(1)?"Success" : "Failed")<<endl;cout<<"obj.remove(1)="<<(obj.remove(1)? "Success" : "Failed")<<endl;cout<<"obj.insert(2)="<<(obj.insert(2)? "Success" : "Failed")<<endl;cout<<"obj.getRandom()="<<obj.getRandom()<<endl;cout<<"obj.remove(1)="<<(obj.remove(1)? "Success" : "Failed")<<endl;cout<<"obj.insert(2)="<<(obj.insert(2)? "Success" : "Failed")<<endl;cout<<"obj.getRandom()="<<obj.getRandom();return 0;
}

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