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leetcode 862. 和至少为 K 的最短子数组

news 来源：原创 2025/5/25 5:33:07

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：
1. 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）。
2. 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。

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。
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。