0284-顶端迭代器

Raphael Liu Lv10
  2023-09-13 00:47:26 2023-09-13 00:47:26 Created   2023-09-13 15:26:58 2023-09-13 15:26:58 Updated    

请你在设计一个迭代器，在集成现有迭代器拥有的 hasNext 和 next 操作的基础上，还额外支持 peek 操作。

实现 PeekingIterator 类：

  • PeekingIterator(Iterator<int> nums) 使用指定整数迭代器 nums 初始化迭代器。
  • int next() 返回数组中的下一个元素，并将指针移动到下个元素处。
  • bool hasNext() 如果数组中存在下一个元素，返回 true ；否则，返回 false 。
  • int peek() 返回数组中的下一个元素，但 不 移动指针。

注意： 每种语言可能有不同的构造函数和迭代器 Iterator，但均支持 int next() 和 boolean hasNext()
函数。

示例 1：

**输入：**
["PeekingIterator", "next", "peek", "next", "next", "hasNext"]
[ [ [1, 2, 3] ], [], [], [], [], [] ]
**输出：**
[null, 1, 2, 2, 3, false]

**解释：**
PeekingIterator peekingIterator = new PeekingIterator([1, 2, 3]); // [ _ **1**_ ,2,3]
peekingIterator.next();    // 返回 1 ，指针移动到下一个元素 [1, _ **2**_ ,3]
peekingIterator.peek();    // 返回 2 ，指针未发生移动 [1, _ **2**_ ,3]
peekingIterator.next();    // 返回 2 ，指针移动到下一个元素 [1,2, _ **3**_ ]
peekingIterator.next();    // 返回 3 ，指针移动到下一个元素 [1,2,3]
peekingIterator.hasNext(); // 返回 False

提示：

  • 1 <= nums.length <= 1000
  • 1 <= nums[i] <= 1000
  • 对 next 和 peek 的调用均有效
  • next、hasNext 和 peek 最多调用 1000 次

进阶： 你将如何拓展你的设计？使之变得通用化，从而适应所有的类型，而不只是整数型？

方法一：迭代器

最直观的做法是使用一个列表存储迭代器中的每个元素，然后按顺序遍历列表中的元素模拟迭代器，但是该做法没有利用到迭代器的性质，更好的做法是利用迭代器的性质实现顶端迭代器的操作。

顶端迭代器需要实现以下三种操作：

  • next：返回迭代器的下一个元素，并将指针向后移动一位；

  • hasNext：判断迭代器中是否还有剩余的元素；

  • peek：返回迭代器的下一个元素，不改变指针。

每种编程语言自带的迭代器可能支持上述一种或多种操作，但是不一定支持上述全部操作。如果编程语言自带的迭代器本身就支持上述操作，可以直接使用，否则需要自定义实现。

Java 的 Iterator 接口和 JavaScript 中自定义的 Iterator 接口支持 next 和 hasNext 操作，但是不支持 peek 操作。为了在顶端迭代器中支持 peek 操作，需要使用 $\textit{nextElement 存储迭代器的下一个元素，各项操作的实现如下：

  • next：首先用 $\textit{ret 存储 $\textit{nextElement 表示返回值，然后将 $\textit{nextElement 向后移动一位，最后返回 $\textit{ret；

  • hasNext：由于 $\textit{nextElement 为迭代器的下一个元素，因此当 $\textit{nextElement 不为空时返回 $\text{true，否则返回 $\text{false；

  • peek：由于 peek 操作不改变指针，因此返回 $\textit{nextElement。

C# 的 IEnumerator 接口包含属性 $\textit{Current 和方法 $\textit{MoveNext（该方法的返回值类型是 bool，表示是否成功移动到下一个元素），三种操作都需要自定义实现，需要使用 $\textit{flag 存储迭代器是否还有剩余的元素。

  • next：首先用 $\textit{ret 存储 $\textit{iterator}.\textit{Current 表示返回值，然后对 $\textit{iterator 调用 $\textit{MoveNext 方法使其向后移动一位并将该方法的结果赋值给 $\textit{flag，最后返回 $\textit{ret；

  • hasNext：返回 $\text{flag；

  • peek：由于 peek 操作不改变指针，因此返回 $\textit{iterator}.\textit{Current。

C++ 中 PeekingIterator 继承父类 Iterator，Iterator 已经实现方法 next 和 hasNext，在此我们在 PeekingIterator 中主要实现 peek 方法即可。我们使用 $\textit{flag 标记迭代器是否还有剩余元素，使用 $\textit{nextElement 存储迭代器的下一个元素。

  • next：首先用 $\textit{ret 存储 $\textit{nextElement 表示返回值，$\textit{flag 保存 Iterator 调用 hasNext方法的返回结果，然后将 $\textit{nextElement 向后移动一位，最后返回 $\textit{ret；

  • hasNext：返回 $\text{flag；

  • peek：由于 peek 操作不改变指针，因此返回 $\textit{nextElement。

[sol1-Java]
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class PeekingIterator implements Iterator<Integer> {
    private Iterator<Integer> iterator;
    private Integer nextElement;

    public PeekingIterator(Iterator<Integer> iterator) {
        this.iterator = iterator;
        nextElement = iterator.next();
    }
    
    public Integer peek() {
        return nextElement;
    }
    
    @Override
    public Integer next() {
        Integer ret = nextElement;
        nextElement = iterator.hasNext() ? iterator.next() : null;
        return ret;
    }
    
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return nextElement != null;
    }
}
[sol1-C#]
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class PeekingIterator {
    private IEnumerator<int> iterator;
    private bool flag;

    public PeekingIterator(IEnumerator<int> iterator) {
        this.iterator = iterator;
        flag = true;
    }
    
    public int Peek() {
        return iterator.Current;
    }
    
    public int Next() {
        int ret = iterator.Current;
        flag = iterator.MoveNext();
        return ret;
    }
    
    public bool HasNext() {
        return flag;
    }
}
[sol1-JavaScript]
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var PeekingIterator = function(iterator) {
    this.iterator = iterator;
    this.nextElement = this.iterator.next();
};

PeekingIterator.prototype.peek = function() {
    return this.nextElement;
    
};

PeekingIterator.prototype.next = function() {
    const ret = this.nextElement;
    this.nextElement = this.iterator.hasNext() ? this.iterator.next() : null;
    return ret;
};

PeekingIterator.prototype.hasNext = function() {
    return this.nextElement != null;
};
[sol1-C++]
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class PeekingIterator : public Iterator {
public:
    PeekingIterator(const vector<int>& nums) : Iterator(nums) {
        flag = Iterator::hasNext();
        if (flag) {
            nextElement = Iterator::next();
        }
    }
    
    int peek() {
        return nextElement;
    }
    
    int next() {
        int ret = nextElement;
        flag = Iterator::hasNext();
        if (flag) {
            nextElement = Iterator::next();
        }
        return ret;
    }
    
    bool hasNext() const {
        return flag;
    }
private:
    int nextElement;
    bool flag;
};
[sol1-Golang]
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type PeekingIterator struct {
    iter     *Iterator
    _hasNext bool
    _next    int
}

func Constructor(iter *Iterator) *PeekingIterator {
    return &PeekingIterator{iter, iter.hasNext(), iter.next()}
}

func (it *PeekingIterator) hasNext() bool {
    return it._hasNext
}

func (it *PeekingIterator) next() int {
    ret := it._next
    it._hasNext = it.iter.hasNext()
    if it._hasNext {
        it._next = it.iter.next()
    }
    return ret
}

func (it *PeekingIterator) peek() int {
    return it._next
}
[sol1-Python3]
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class PeekingIterator:
    def __init__(self, iterator):
        self.iterator = iterator
        self._next = iterator.next()
        self._hasNext = iterator.hasNext()

    def peek(self):
        return self._next

    def next(self):
        ret = self._next
        self._hasNext = self.iterator.hasNext()
        self._next = self.iterator.next() if self._hasNext else 0
        return ret

    def hasNext(self):
        return self._hasNext

复杂度分析

  • 时间复杂度：每一项操作的时间复杂度都是 $O(1)$。

  • 空间复杂度：$O(1)$。

进阶问题

进阶问题要求拓展顶端迭代器的设计，使其适用于所有类型，不局限于整数。

对于动态类型语言如 JavaScript 和 Python，不需要拓展上述设计。

对于静态类型语言如 Java、C# 和 C++，可以通过使用泛型的方式拓展设计，在 PeekingIterator 类中定义泛型，使用时可以用任意类型。

[sol2-Java]
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class PeekingIterator<E> implements Iterator<E> {
    private Iterator<E> iterator;
    private E nextElement;

    public PeekingIterator(Iterator<E> iterator) {
        this.iterator = iterator;
        nextElement = iterator.next();
    }
    
    public E peek() {
        return nextElement;
    }
    
    @Override
    public E next() {
        E ret = nextElement;
        nextElement = iterator.hasNext() ? iterator.next() : null;
        return ret;
    }
    
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return nextElement != null;
    }
}
[sol2-C#]
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class PeekingIterator<T> {
    private IEnumerator<T> iterator;
    private bool flag;

    public PeekingIterator(IEnumerator<T> iterator) {
        this.iterator = iterator;
        flag = true;
    }
    
    public T Peek() {
        return iterator.Current;
    }
    
    public T Next() {
        T ret = iterator.Current;
        flag = iterator.MoveNext();
        return ret;
    }
    
    public bool HasNext() {
        return flag;
    }
}
[sol2-C++]
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template <class T>
class PeekingIterator : public Iterator<T> {
public:
    PeekingIterator(const vector<T>& nums) : Iterator<T>(nums) {
        flag = Iterator<T>::hasNext();
        if (flag) {
            nextElement = Iterator<T>::next();
        }
    }
    
    T peek() {
        return nextElement;
    }

    T next() {
        T ret = nextElement;
        flag = Iterator<T>::hasNext();
        if (flag) {
            nextElement = Iterator<T>::next();
        }
        return ret;
    }
    
    bool hasNext() const {
        return flag;
    }
private:
    T nextElement;
    bool flag;
};
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