数组循环移位算法（左旋字符串）【总结】

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数组循环移位算法（左旋字符串）【总结】

2013年05月26日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2882字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

问题：定义字符串的左旋转操作：把字符串前面的若干个字符移动到字符串的尾部。如把字符串abcdef左旋转2位得到字符串cdefab。请实现字符串左旋转的函数。要求时间对长度为n的字符串操作的复杂度为O(n)，辅助内存为O(1)。

解法一：（循环换位算法）不考虑时间和空间的限制。设移动的位数为k。则循环k次，每次移动1位。这样的空间复杂度是O(1)，时间复杂度是O(n*k)。如果k小于n，则O(n^2)。

void RightShift(char *arr, int N, int k)
{
　　k %= N ;　　//缩小k的范围
    while(k--)
    {
char t = arr[N-1];
for(int i = N-1; i > 0; i--)
            arr[i] = arr[i-1];
        arr[0] = t;
    }
}

虽然这个算法可以实现数组的循环右移，但是算法复杂度为O（K * N），不符合题目的要求，需要继续往下探索。

但是在实际操作过程中K未必小于N，也就是说有肯那个时间复杂度超过N^2。通过观察可以可知，循环移动K位和循环移动K%N是一样的，这就将时间复杂度降下来了。

解法二：（三次反转算法）假设原数组序列为abcd1234，要求变换成的数组序列为1234abcd，即循环右移了4位。比较之后，不难看出，其中有两段的顺序是不变的：1234和abcd，可把这两段看成两个整体。右移K位的过程就是把数组的两部分交换一下。变换的过程通过以下步骤完成：

逆序排列abcd：abcd1234 → dcba1234；
逆序排列1234：dcba1234 → dcba4321；
全部逆序：dcba4321 → 1234abcd。

Reverse(char *arr, int b, int e)
{
for(; b < e; b++, e--)
    {
char temp = arr[e];
        arr[e] = arr[b];
        arr[b] = temp;
    }
}

RightShift(char *arr, int N, int k)
{
    k %= N;
    Reverse(arr, 0, k-1);
    Reverse(arr, k, N-1);
    Reverse(arr, 0, N-1);
}

解法三：（排列循环算法）对于给定数组A[0..N-1]向后循环换位N-K位运算，可分解为恰好gcd(K,N-K)个循环置换，且0,...,gcd(K,N-K)-1中的每个数恰属于一个循环置换。其中gcd(x,y)表示x和y的最大公因数。

　　我们从头开始分析这个问题，对于数组A[0..n-1]，要将其向后循环移动k位元素。因为每个元素右移n位后又回到了原来的位置上，所以右移k位等于右移k mod n位。考虑每个元素右移k位后的最终位置，比如对于A[0]，右移k位后在k mod n位置上，原来在k mod n位置上的元素右移k位后到了2*k mod n的位置上，把如此因为A[0]的移动而受到连环影响必须移动的位置列出来，就是下面这样一个位置序列：0,k,2*k,...,(t-1)k。其中每一项都是在模n的意义下的位置。t*k mod n 的结果是0。t是使得t*k mod n的结果为0的最小正整数。
　　这个位置序列实质上是模n加法群中由元素k生成的一个循环子群。由群论中的结论(该结论的证明见最后)知，循环子群(k)的周期为n / gcd(k,n)，元数为n / gcd(k,n)，其陪集个数为gcd(k,n)。换句话说，A[0..n-1]循环右移k位的结果是循环子群(k)以及它的所有陪集循环右移一位。例如，将A[0..5] = {1,2,3,4,5,6}循环右移4位，这里n = 6, k = 4, gcd(k, n) = 2。A[0]的最终位置是4,A[4]的最终位置是2,A[2]的最终位置是0，这样，位置0,4,2便是由k=4生成的循环群，周期为6 / gcd(4,6) = 6 / 2 = 3，这样的循环子群共有gcd(4,6) = 2个。

// 数组的循环移位
#include <cstdio>

int gcd(int m, int n) {
int r;
while(r = m % n) {
        m = n; n = r;
    }
return n;
}

void shiftArray(int A[], int n, int k) {
// 因为左移的代码比右移的代码好实现的多，而右移k位
// 等价于左移-k位，-k = n - k。以下代码是通过左移-k位来实现右移k位
    k = n - (k % n);
for(int i = 0, cnt = gcd(n, k); i < cnt; i++) {
int t = A[i], p = i, j = (k+i) % n;
while(j != i) {
            A[p] = A[j]; p = j; j = (k + p) % n;
        }
        A[p] = t;
    }
}

void printArray(int A[], int n) {
for(int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%-3d", A[i]);
if((i+1)%10 == 0) printf("/n");
    }
}
int main() {
int A[] = {1,2,3,4,5,6, 7};
    shiftArray(A, 7, 4);
    printArray(A, 7);
return 0;
}

另一种实现方法：

char* string_cyclicshift_v2( char* string, int i )
{
char ch;
int exchange;
int len;

    exchange = 0;
    len = strlen( string );

    i = i%len;
if ( 0 == i )
return string;

int start_pos=0;
while ( exchange<len )
    {
char ch = string[start_pos];

int currpos = start_pos;
int nextpos = (len+currpos+i)%len;
while ( nextpos != start_pos )
        {
string[currpos] = string[nextpos];
            ++exchange;

            currpos = nextpos;
            nextpos = (len+currpos+i)%len;
        }
string[currpos] = ch;
        ++exchange;

        ++start_pos;
    }

return string;
}