LeetCode952三部曲之三：再次優化(122ms -＞ 96ms，超51% -＞ 超91%)

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本篇概覽

• 本文是《LeetCode952三部曲之三》的終篇，先回顧一下前文的成果，看看我們之前已經優化到什麼程度：
  
• 前文的優化思路是減小並查集陣列的規模，帶來的結果是節省記憶體、減少陣列相關的執行次數，但從程式碼上分析，並查集陣列處理所佔比重並不多，所以造成此處整體優化效果一般
• 所以，除了並查集，還要去尋找其他優化點，這就是本篇的主要內容

優化思路

• 尋找優化點的方向很明確：重點關注時間複雜度高的程式碼塊
• 按照上述思路，很容易就找到了下圖中的程式碼段，位於程式入口位置，計算每個數位的質因數，因為涉及到素數，所以時間複雜度較高，三個耗時操作是巢狀關係
  
• 上述方法的思路對每個數位做計算，找出質因數，例如找出99的質因數，需要從2開始一次次計算得出
• 但實際上還有一個更簡單的思路：99以內的質數是固定的25個，這25箇中，其平方小於99的只有四個，既：2，3，5，7，所以尋找99的質即因數，就在這四個中找即可（漏掉的11，在後面的程式碼中會特別處理找回來）
• 基於以上思路，計算質因數的程式碼就很簡單了：

1. 提前把100000以內的所有素數都找出來，放在名為primes的陣列中
2. 對於任意一個數位N，都用primes中的數位去做除法，能整除的就是N的質因數
3. 記得像前面的99漏掉了11那樣，把11找回來

編碼

• 接下來的程式碼，在前文的基礎上修改
• 首先增加三個靜態變數，註釋已詳細說明其作用：

    // isPrime[3]=0，表示數位3是素數，isPrime[4]=1，表示數位4不是素數
    private static int[] isPrime = new int[100001];

    // 0-100001之間所有的素數都放入這裡
    private static int[] primes = new int[100001];

    // 素數的數量，也就是primes中有效資料的長度
    private static int primeNum = 0;

• 然後是一個靜態程式碼塊，一次性算處100000範圍內所有素數，埃式或者尤拉式都可以，這裡用了尤拉式

static {

        // 尤拉篩
        for(int i=2;i<=100000;i++) {
            if(isPrime[i]==0) {
                // i是素數，就放入primes陣列中
                // 更新primes中素數的數量
                primes[primeNum++] = i;
            }

            for(int j=0;i*primes[j]<=100000;j++) {
                // primes[j]*i的結果是個乘積，這樣的數位顯然不是素數，所以在isPrimes陣列中標註為1
                isPrime[primes[j]*i] = 1;

                // 如果i是primes中某個素數的倍數，就沒有必要再計算了，退出算下一個，
                // 例如i=8的時候，其實在之前i=4時就已經計算出8不是素數了
                if(i%primes[j]==0) {
                    break;
                }
            }
        }

        // 經過以上程式碼，0-100001之間所有素數都放入了primes中
    }

• 上述程式碼只會在類載入後執行一次，執行完畢後，1到100000之間的所有素數都計算出來並放入primes中，數量是primeNum，在後面的計算中直接拿來用即可
• 接下來是最關鍵的地方了，前面截圖中對每個數位計算質因數的程式碼，可以替換掉了，新的程式碼如下，可見邏輯已經簡化了，從陣列primes中取出來做除法即可：

        // 對陣列中的每個數，算出所有質因數，構建map
        for (int i=0;i<nums.length;i++) {
            int cur = nums[i];

            // cur的質因數一定是primes中的一個
            for (int j=0;j<primeNum && primes[j]*primes[j]<=cur;j++) {
                if (cur%primes[j]==0) {
                    map.computeIfAbsent(primes[j], key -> new ArrayList<>()).add(i);

                    // 要從cur中將primes[j]有關的倍數全部剔除，才能檢查下一個素數
                    while (cur%primes[j]==0) {
                        cur /= primes[j];
                    }
                }
            }

            // 能走到這裡依然不等於1，是因為for迴圈中的primes[j]*primes[j]<<=cur導致了部分素數沒有檢查到，
            // 例如6，執行了for迴圈第一輪後，被2除過，cur等於3，此時j=1,那麼primes[j]=3，因此 3*3無法小於cur的3，於是退出for迴圈，
            // 此時cur等於3，應該是個素數，所以nums[i]就能被此時的cur整除，那麼此時的cur就是nums[i]的質因數，也應該放入map
            if (cur>1) {
                map.computeIfAbsent(cur, key -> new ArrayList<>()).add(i);
            }
        }

• 另外，對於之前99取質因數漏掉了11的問題，上述程式碼也有詳細說明：檢查整除結果，大於1的就是漏掉的
• 完整的提交程式碼如下

package practice;

import java.util.*;

/**
 * @program: leetcode
 * @description:
 * @author: [email protected]
 * @create: 2022-06-30 22:33
 **/
public class Solution {

    // 並查集的陣列， fathers[3]=1的意思是：數位3的父節點是1
//    int[] fathers = new int[100001];
    int[] fathers;

    // 並查集中，每個數位與其子節點的元素數量總和，rootSetSize[5]=10的意思是：數位5與其所有子節點加在一起，一共有10個元素
//    int[] rootSetSize = new int[100001];
    int[] rootSetSize;

    // map的key是質因數，value是以此key作為質因數的數位
    // 例如題目的陣列是[4,6,15,35]，對應的map就有四個key：2,3,5,7
    // key等於2時，value是[4,6]，因為4和6的質因數都有2
    // key等於3時，value是[6,15]，因為6和16的質因數都有3
    // key等於5時，value是[15,35]，因為15和35的質因數都有5
    // key等於7時，value是[35]，因為35的質因數有7
    Map<Integer, List<Integer>> map = new HashMap<>();

    // 用來儲存並查集中，最大樹的元素數量
    int maxRootSetSize = 1;

    // isPrime[3]=0，表示數位3是素數，isPrime[4]=1，表示數位4不是素數
    private static int[] isPrime = new int[100001];

    // 0-100001之間所有的素數都放入這裡
    private static int[] primes = new int[100001];

    // 素數的數量，也就是primes中有效資料的長度
    private static int primeNum = 0;


    static {

        // 尤拉篩
        for(int i=2;i<=100000;i++) {
            if(isPrime[i]==0) {
                // i是素數，就放入primes陣列中
                // 更新primes中素數的數量
                primes[primeNum++] = i;
                System.out.println(i + "-" + i*i);
            }

            for(int j=0;i*primes[j]<=100000;j++) {
                // primes[j]*i的結果是個乘積，這樣的數位顯然不是素數，所以在isPrimes陣列中標註為1
                isPrime[primes[j]*i] = 1;

                // 如果i是primes中某個素數的倍數，就沒有必要再計算了，退出算下一個，
                // 例如i=8的時候，其實在之前i=4時就已經計算出8不是素數了
                if(i%primes[j]==0) {
                    break;
                }
            }
        }

        // 經過以上程式碼，0-100001之間所有素數都放入了primes中
    }


    /**
     * 帶壓縮的並查集查詢(即尋找指定數位的根節點)
     * @param i
     */
    private int find(int i) {
        // 如果執向的是自己，那就是根節點了
        if(fathers[i]==i) {
            return i;
        }

        // 用遞迴的方式尋找，並且將整個路徑上所有長輩節點的父節點都改成根節點，
        // 例如1的父節點是2，2的父節點是3，3的父節點是4，4就是根節點，在這次查詢後，1的父節點變成了4，2的父節點也變成了4，3的父節點還是4
        fathers[i] = find(fathers[i]);
        return fathers[i];
    }

    /**
     * 並查集合並，合併後，child會成為parent的子節點
     * @param parent
     * @param child
     */
    private void union(int parent, int child) {
        int parentRoot = find(parent);
        int childRoot = find(child);

        // 如果有共同根節點，就提前返回
        if (parentRoot==childRoot) {
            return;
        }

        // child元素根節點是childRoot，現在將childRoot的父節點從它自己改成了parentRoot，
        // 這就相當於child所在的整棵樹都拿給parent的根節點做子樹了
        fathers[childRoot] = fathers[parentRoot];

        // 合併後，這個樹變大了，新增元素的數量等於被合併的字數元素數量
        rootSetSize[parentRoot] += rootSetSize[childRoot];

        // 更像最大數量
        maxRootSetSize = Math.max(maxRootSetSize, rootSetSize[parentRoot]);
    }

    public int largestComponentSize(int[] nums) {
        // 對陣列中的每個數，算出所有質因數，構建map
        for (int i=0;i<nums.length;i++) {
            int cur = nums[i];

            // cur的質因數一定是primes中的一個
            for (int j=0;j<primeNum && primes[j]*primes[j]<=cur;j++) {
                if (cur%primes[j]==0) {
                    map.computeIfAbsent(primes[j], key -> new ArrayList<>()).add(i);

                    // 要從cur中將primes[j]有關的倍數全部剔除，才能檢查下一個素數
                    while (cur%primes[j]==0) {
                        cur /= primes[j];
                    }
                }
            }

            // 能走到這裡依然不等於1，是因為for迴圈中的primes[j]*primes[j]<<=cur導致了部分素數沒有檢查到，
            // 例如6，執行了for迴圈第一輪後，被2除過，cur等於3，此時j=1,那麼primes[j]=3，因此 3*3無法小於cur的3，於是退出for迴圈，
            // 此時cur等於3，應該是個素數，所以nums[i]就能被此時的cur整除，那麼此時的cur就是nums[i]的質因數，也應該放入map
            if (cur>1) {
                map.computeIfAbsent(cur, key -> new ArrayList<>()).add(i);
            }
        }
        
        fathers = new int[nums.length];
        rootSetSize = new int[nums.length];

        // 至此，map已經準備好了，接下來是並查集的事情，先要初始化陣列
        for(int i=0;i< fathers.length;i++) {
            // 這就表示：數位i的父節點是自己
            fathers[i] = i;
            // 這就表示：數位i加上其下所有子節點的數量等於1（因為每個節點父節點都是自己，所以每個節點都沒有子節點）
            rootSetSize[i] = 1;
        }

        // 遍歷map
        for (int key : map.keySet()) {
            // 每個key都是一個質因數
            // 每個value都是這個質因數對應的數位
            List<Integer> list = map.get(key);

            int size = list.size();

            // 超過1個元素才有必要合併
            if (size>1) {
                // 取第0個元素作為父節點
                int parent = list.get(0);

                // 將其他節點全部作為地0個元素的子節點
                for(int i=1;i<size;i++) {
                    union(parent, list.get(i));
                }
            }
        }

        return maxRootSetSize;
    }
}

• 改動完成，提交試試，如下圖，左邊是前文的成績，右邊是本次優化後的成績，從122ms優化到96ms，從超51%優化到超91%，優化效果明顯

• 至此，《LeetCode952三部曲》全部完成，如果您正在刷題，希望此係列能給您一些參考

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