leetcode 862. 和至少为 K 的最短子数组
这段代码使用了前缀和+单调队列的组合策略来高效解决"和至少为K的最短子数组"问题。我将从问题定义、核心思路到代码实现逐步拆解：
问题定义
给定数组 nums 和整数 k，找到和 ≥k 的最短非空子数组，返回其长度。
示例：nums = [2,-1,2], k = 3 → 子数组 [2,-1,2] 和为3，长度3，返回3。
核心思路
1. 前缀和数组
前缀和数组 prefix[i] 表示 nums 前 i 个元素的和。
- 作用：快速计算子数组和。子数组
nums[i..j]的和 =prefix[j+1] - prefix[i]。 - 示例：
nums = [2,-1,2]→prefix = [0, 2, 1, 3]。
子数组[2,-1]的和 =prefix[2] - prefix[0] = 1 - 0 = 1。
2. 单调队列的作用
单调队列 q 存储前缀和数组的下标，确保队列中的下标对应的前缀和严格递增。
- 目标：对于每个右边界
j，快速找到满足prefix[j] - prefix[i] ≥k的最大左边界i（使子数组长度j-i最小）。 - 优化逻辑：
- 淘汰不可能的左边界：若存在
i1 < i2且prefix[i1] ≥ prefix[i2]，则i1永远不可能是最优解（因为i2更靠右且前缀和更小，使差值更大）。 - 单调性加速查询：队列中前缀和递增，若队首
i不满足条件，则后续元素更不可能满足，直接停止检查。
- 淘汰不可能的左边界：若存在
代码实现解析
int shortestSubarray(vector<int>& nums, int k) {
int n = nums.size();
// 计算前缀和数组
vector<long long> prefix(n + 1, 0);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
prefix[i + 1] = prefix[i] + nums[i];
}
deque<int> q; // 存储前缀和数组的下标，按prefix值单调递增
int ans = INT_MAX;
for (int j = 0; j <= n; ++j) {
// 移除队尾较大的元素，保持队列单调性
while (!q.empty() && prefix[j] <= prefix[q.back()]) {
q.pop_back();
}
// 检查队首是否满足条件，更新最短长度
while (!q.empty() && prefix[j] - prefix[q.front()] >= k) {
ans = min(ans, j - q.front());
q.pop_front(); // 队首已经找到最优解，后续无需再考虑
}
q.push_back(j); // 将当前下标加入队列
}
return ans == INT_MAX ? -1 : ans;
}
关键步骤详解
-
前缀和计算：
prefix[i+1] = prefix[i] + nums[i]，确保prefix[j+1] - prefix[i]表示子数组nums[i..j]的和。 -
维护单调队列：
- 移除队尾较大元素：若
prefix[j] ≤ prefix[q.back()]，则弹出队尾。
目的：保持队列单调性，确保后续查询时队首是最小前缀和。 - 检查队首条件：若
prefix[j] - prefix[q.front()] ≥k，则更新最短长度并弹出队首。
原理：队首是当前最小前缀和，若其不满足条件，则后续元素更不可能满足；若满足，则队首是当前最优左边界（对应最短长度），弹出后不再考虑。
- 移除队尾较大元素：若
-
添加当前下标：
将j加入队列尾部，确保队列中的下标按前缀和递增。
示例演示
输入：nums = [2,-1,2], k = 3
前缀和：prefix = [0, 2, 1, 3]
j |
prefix[j] |
队列 q |
操作 | 最短长度 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | [0] |
初始化队列 | ∞ |
| 1 | 2 | [0, 1] |
2-0=2<3，加入1 | ∞ |
| 2 | 1 | [0, 2] |
弹出1（1≥2），加入2 | ∞ |
| 3 | 3 | [2, 3] |
3-0=3≥3 → 长度3-0=3 | 3 |
复杂度分析
- 时间复杂度：O(n)。每个元素最多入队和出队一次。
- 空间复杂度：O(n)。队列最坏情况下存储所有下标。
关键点总结
- 前缀和：将子数组和转化为前缀和的差值，O(1)时间计算。
- 单调队列：
- 单调性：确保队列中的前缀和递增，队首是最小前缀和。
- 淘汰机制：移除不可能的左边界，加速查询。
- 队首弹出逻辑：一旦队首满足条件，其对应的是当前最短长度，后续无需再考虑，直接弹出。
这种方法高效解决了子数组和的优化问题，是处理类似问题的经典策略。
在这段代码中，使用 while 循环而非 if 是由单调队列的性质和问题的最优解特性共同决定的。以下是详细分析：
一、为什么必须用 while 循环？
场景假设：
假设队列 q 中存储的前缀和下标为 [i1, i2, i3]，对应的前缀和满足 prefix[i1] < prefix[i2] < prefix[i3]（队列递增）。
当遍历到 j 时，prefix[j] - prefix[i1] ≥k，说明：
i1是可行的左边界，对应子数组长度为j - i1。- 由于
prefix[i2] > prefix[i1]，则prefix[j] - prefix[i2] < prefix[j] - prefix[i1]，但可能仍≥k。
例如：prefix[j]=10,prefix[i1]=2,prefix[i2]=5,k=3→10-2=8≥3,10-5=5≥3。
结论：队首 i1 满足条件时，后续的 i2、i3 可能也满足条件，且对应的子数组长度更短（因为 i2 > i1，j-i2 < j-i1）。
因此需要持续检查队首之后的元素，直到找到不满足条件的队首，才能保证不会遗漏更优解。
二、while 循环的核心作用
1. 找到所有可行的左边界
队列中的前缀和递增，因此当 prefix[j] - prefix[q.front()] ≥k 时：
- 队首是当前最小的前缀和，对应最大的可行左边界
q.front()（子数组长度最短）。 - 但后续元素的前缀和更大，可能仍满足条件，且对应更短的子数组。
示例：
prefix = [0, 1, 3, 5], k=2, j=3（prefix[j]=5）。
- 队首
i=0：5-0=5≥2→ 长度3-0=3。 - 弹出队首后，新队首
i=1：5-1=4≥2→ 长度3-1=2（更优）。 - 弹出队首后，新队首
i=2：5-3=2≥2→ 长度3-2=1（最优）。 - 最终队列为
[3]，循环停止。
若用 if 仅检查一次队首，会漏掉后续更优的解（如长度2和1）。
2. 维护队列的单调性和有效性
每次弹出队首后，新的队首可能仍满足条件，需要继续检查：
- 队首一旦不满足条件，后续元素的前缀和更大，差值更小，必然不满足条件，循环可以终止。
- 队首满足条件时，弹出队首是安全的，因为：
- 该队首对应的子数组长度是当前可行解中最短的（因为队首是最大的左边界）。
- 后续的左边界
i更大（i > q.front()），对应的子数组长度更小，可能更优。
三、若用 if 会发生什么？
错误示例：
// 错误：用if替代while
if (!q.empty() && prefix[j] - prefix[q.front()] >= k) {
ans = min(ans, j - q.front());
q.pop_front();
}
场景：
prefix = [0, 2, 3], k=2, j=2（prefix[j]=3）。
- 队首
i=0：3-0=3≥2→ 记录长度2-0=2，弹出队首。 - 此时队列变为
[1]，prefix[1]=2，3-2=1<2，不满足条件。 - 正确解：子数组
[2]（下标1-1），和为2，长度1。 - 错误原因：用
if仅检查初始队首，未发现后续队首i=1可能满足条件（虽然本例中不满足，但存在其他情况）。
结论：if 只能处理队首的单次检查，无法处理队列中多个连续满足条件的元素，导致遗漏更优解。
四、代码中的逻辑正确性
while (!q.empty() && prefix[j] - prefix[q.front()] >= k) {
ans = min(ans, j - q.front()); // 记录当前最优解（可能不是全局最优）
q.pop_front(); // 弹出队首，检查下一个元素
}
- 循环条件：只要队首满足条件，就继续检查。
- 操作顺序：先记录解，再弹出队首。
- 因为队首是当前最大的左边界，对应的长度最短，弹出后新队首可能更优（长度更短）。
- 例如：队首
i1对应长度L1，下一个队首i2 > i1对应长度L2 < L1，必须记录L2。
五、总结：while 的必要性
- 处理多个连续可行解：队列中可能存在多个满足条件的左边界，
while确保遍历所有可能。 - 利用单调性剪枝：一旦队首不满足条件，后续元素必然不满足，直接终止循环，不会增加额外开销。
- 确保最优解：通过持续弹出队首，每次记录当前最短长度，最终得到全局最优解。
因此，while 循环是该算法正确性的关键，不能用 if 替代。