LeetCode 75. Sort Colors 자바 문제 풀이

문제

Sort Colors - LeetCode

문제 해결 방법

• 정렬을 하는데 함수(메서드)를 쓰지 말라는 조건이 붙었으므로, 정렬알고리즘을 구현할수 있는지 물어보는 문제입니다.
• input이 0,1,2뿐이므로, 이를 이용한 로직 알고리즘으로 푸는 것이 가능합니다.
• 알고리즘
  • 모든 엘레멘트를 순회하며, 0,1,2의 개수를 확인합니다
  • 각 개수만큼 0,1,2순서대로 어레이에 넣습니다.
• Follow up에서 원하는 one-pass algorithm은 네덜란드 국기 알고리즘을 알고 있느냐고 묻는것이며, 이 알고리즘은 0,1를 정렬하는데 특화된 알고리즘 입니다.
• 또는 퀵정렬을 구현할수도 있습니다.

참고

네덜란드 국기(Dutch National Flag) 알고리즘이란

퀵정렬이란

Github Link

https://github.com/eunhanlee/LeetCode_75_SortColors_Solution.git

로직 알고리즘 시간복잡도: O(n), 공간복잡도: O(1)

/**
 * Solution 클래스는 0, 1, 2만 포함된 배열을 정렬하는 메서드를 제공합니다.
 */
public class Solution {
    
    /**
     * 주어진 배열을 계수 기법을 사용하여 정렬합니다. 배열은 0, 1, 2만 포함되어야 합니다.
     *
     * @param nums 정렬할 배열
     */
    public void sortColors(int[] nums) {
        int Zero = 0, One = 0, Two = 0; // 0의 개수, 1의 개수, 2의 개수를 세는 변수들
        int idx = 0; // 배열 내 위치를 추적하는 인덱스
        
        // 0의 개수, 1의 개수, 2의 개수를 세기
        for (int num : nums) {
            if (num == 0) Zero++;
            if (num == 1) One++;
            if (num == 2) Two++;
        }
        
        // 0의 개수, 1의 개수, 2의 개수만큼 배열을 채우기
        for (int i = 0; i < Zero; i++) {
            nums[idx] = 0;
            idx++;
        }
        for (int i = 0; i < One; i++) {
            nums[idx] = 1;
            idx++;
        }
        for (int i = 0; i < Two; i++) {
            nums[idx] = 2;
            idx++;
        }
    }
}

네덜란드 국기 알고리즘 시간복잡도: O(n), 공간복잡도: O(1)

public class Solution {
    /**
     * 주어진 배열을 0, 1, 2만 포함하도록 Dutch National Flag 알고리즘을 사용하여 정렬합니다.
     *
     * @param nums 정렬할 배열.
     */
    public void sortColors(int[] nums) {
        int low = 0;  // 0을 가리키는 포인터
        int mid = 0;  // 1을 가리키는 포인터
        int high = nums.length - 1;  // 2를 가리키는 포인터

        while (mid <= high) {
            if (nums[mid] == 0) {
                // 현재 요소가 0인 경우, low 포인터가 가리키는 요소와 교환합니다.
                swap(nums, low, mid);
                low++;  // low 포인터를 증가시킵니다.
                mid++;  // 교환된 요소는 1임이 확실하므로 mid 포인터도 증가시킵니다.
            } else if (nums[mid] == 1) {
                // 현재 요소가 1인 경우, mid 포인터를 앞으로 이동시킵니다.
                mid++;
            } else if (nums[mid] == 2) {
                // 현재 요소가 2인 경우, mid 포인터가 가리키는 요소와 high 포인터가 가리키는 요소를 교환합니다.
                swap(nums, mid, high);
                high--;  // high 포인터를 감소시킵니다.
                // 주의: 여기서 mid 포인터는 아직 교환된 요소가 무엇인지 확실하지 않으므로 증가시키지 않습니다.
            }
        }
    }

    /**
     * 주어진 배열에서 두 요소를 교환합니다.
     *
     * @param nums 배열에서 요소를 교환할 배열.
     * @param i 첫 번째 교환할 요소의 인덱스.
     * @param j 두 번째 교환할 요소의 인덱스.
     */
    private void swap(int[] nums, int i, int j) {
        int temp = nums[i];
        nums[i] = nums[j];
        nums[j] = temp;
    }
}

퀵정렬 시간복잡도: O(n log n), 공간복잡도: O()

public class Solution3 {
    /**
     * 주어진 배열을 Quick Sort 알고리즘을 사용하여 정렬합니다.
     *
     * @param nums 정렬할 배열.
     */
    public void sortColors(int[] nums) {
        quickSort(nums);
    }

    private static void quickSort(int[] input) {
        quickSortRecur(input, 0, input.length - 1);
    }

    /**
     * Lomuto 분할법을 이용하여 Quick Sort를 재귀적으로 구현합니다.
     * pivot : 가장 오른쪽 값
     * 선택값(left) 시작점 : 0
     * 비교값(right) 시작점 : 0
     * @param input 정렬할 배열.
     * @param left  분할할 배열의 시작 인덱스.
     * @param right 분할할 배열의 끝 인덱스.
     */
    private static void quickSortRecur(int[] input, int left, int right) {
        // Quick Sort 종료 조건: 분할할 배열의 길이가 1 이하일 때
        if (left >= right) {
            return;
        }

        // 분할 위치를 찾아서 pivot을 중심으로 작은 값들은 왼쪽으로, 큰 값들은 오른쪽으로 정렬합니다.
        int pivotPos = partition(input, left, right);

        // 분할된 왼쪽 부분 배열을 재귀적으로 정렬합니다.
        quickSortRecur(input, left, pivotPos - 1);
        // 분할된 오른쪽 부분 배열을 재귀적으로 정렬합니다.
        quickSortRecur(input, pivotPos + 1, right);
    }

    /**
     * 배열에서 두 요소의 위치를 교환합니다.
     *
     * @param input 배열.
     * @param a     첫 번째 요소의 인덱스.
     * @param b     두 번째 요소의 인덱스.
     */
    private static void swap(int[] input, int a, int b) {
        int temp = input[a];
        input[a] = input[b];
        input[b] = temp;
    }

    /**
     * Lomuto 분할법을 사용하여 배열을 분할하고, pivot의 위치를 반환합니다.
     *
     * @param input 배열.
     * @param left  분할할 배열의 시작 인덱스.
     * @param right 분할할 배열의 끝 인덱스.
     * @return pivot의 위치.
     */
    private static int partition(int[] input, int left, int right) {
        int pivot = input[right];

        int i = (left - 1);
        for (int j = left; j < right; ++j) {
            if (input[j] < pivot) {
                ++i;
                swap(input, i, j);
            }
        }
        swap(input, (i + 1), right);
        return i + 1;
    }
}