C语言双指针算法怎么用

发布时间：2022-02-14 16:10:19 作者：iii
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# C语言双指针算法怎么用

## 一、什么是双指针算法

双指针算法（Two Pointers Technique）是C语言中一种高效的算法策略，通过在数组或链表中使用两个指针协同工作来解决问题。这两个指针可以同向移动（快慢指针）或相向移动（对撞指针），能够将某些需要嵌套循环的问题优化为单次遍历。

### 核心特点
1. **空间效率**：通常只需要O(1)的额外空间
2. **时间优化**：将O(n²)复杂度降为O(n)
3. **逻辑清晰**：通过指针运动直观表达算法逻辑

## 二、双指针的三种经典模式

### 1. 对撞指针（首尾指针）
```c
int left = 0, right = len - 1;
while(left < right){
    // 根据条件移动其中一个指针
    if(condition) left++;
    else right--;
}

典型应用场景： - 有序数组的二分查找 - 两数之和（LeetCode 167） - 反转数组/字符串

2. 快慢指针

int slow = 0, fast = 0;
while(fast < len){
    if(condition){
        // 慢指针有条件移动
        arr[slow++] = arr[fast];
    }
    fast++;
}

典型应用场景： - 移除有序数组重复项（LeetCode 26） - 链表中环的检测 - 寻找链表中点

3. 滑动窗口

int left = 0, right = 0;
while(right < len){
    window.add(arr[right]);
    while(window满足收缩条件){
        // 更新结果
        window.remove(arr[left++]);
    }
    right++;
}

典型应用场景： - 最小覆盖子串（LeetCode 76） - 长度最小的子数组（LeetCode 209） - 无重复字符的最长子串

三、五大经典问题实战

案例1：有序数组的两数之和

int* twoSum(int* nums, int numsSize, int target, int* returnSize){
    int left = 0, right = numsSize - 1;
    int* res = (int*)malloc(2 * sizeof(int));
    *returnSize = 2;
    
    while(left < right){
        int sum = nums[left] + nums[right];
        if(sum == target){
            res[0] = left + 1;
            res[1] = right + 1;
            return res;
        }else if(sum < target){
            left++;
        }else{
            right--;
        }
    }
    return res;
}

案例2：移除元素（LeetCode 27）

int removeElement(int* nums, int numsSize, int val){
    int slow = 0;
    for(int fast = 0; fast < numsSize; fast++){
        if(nums[fast] != val){
            nums[slow++] = nums[fast];
        }
    }
    return slow;
}

案例3：盛最多水的容器（LeetCode 11）

int maxArea(int* height, int heightSize){
    int left = 0, right = heightSize - 1;
    int max = 0;
    while(left < right){
        int area = (right - left) * fmin(height[left], height[right]);
        if(area > max) max = area;
        if(height[left] < height[right]) left++;
        else right--;
    }
    return max;
}

案例4：三数之和（LeetCode 15）

int** threeSum(int* nums, int numsSize, int* returnSize, int** returnColumnSizes){
    // 排序预处理
    qsort(nums, numsSize, sizeof(int), cmp);
    
    int** res = (int**)malloc(20000 * sizeof(int*));
    *returnColumnSizes = (int*)malloc(20000 * sizeof(int));
    *returnSize = 0;
    
    for(int i = 0; i < numsSize - 2; i++){
        if(i > 0 && nums[i] == nums[i-1]) continue;
        
        int left = i + 1, right = numsSize - 1;
        while(left < right){
            int sum = nums[i] + nums[left] + nums[right];
            if(sum == 0){
                res[*returnSize] = (int*)malloc(3 * sizeof(int));
                res[*returnSize][0] = nums[i];
                res[*returnSize][1] = nums[left];
                res[*returnSize][2] = nums[right];
                (*returnColumnSizes)[*returnSize] = 3;
                (*returnSize)++;
                
                // 跳过重复元素
                while(left < right && nums[left] == nums[left+1]) left++;
                while(left < right && nums[right] == nums[right-1]) right--;
                left++;
                right--;
            }else if(sum < 0){
                left++;
            }else{
                right--;
            }
        }
    }
    return res;
}

案例5：链表的中间结点（LeetCode 876）

struct ListNode* middleNode(struct ListNode* head){
    struct ListNode *slow = head, *fast = head;
    while(fast != NULL && fast->next != NULL){
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
    }
    return slow;
}

四、算法优化关键点

预处理的重要性：
- 80%的双指针问题需要先排序
- 排序后能利用有序性大幅简化逻辑

指针移动条件：

// 经典移动条件判断模式
if(满足条件A){
   left++;
}else if(满足条件B){
   right--;
}else{
   // 处理找到解的情况
}

边界处理陷阱：
- 空数组/链表处理
- 指针越界检查
- 元素去重处理（如三数之和）
循环终止条件：
- while(left <= right) 与 while(left < right)的区别
- 快指针的终止条件fast != NULL vs fast->next != NULL

五、性能对比分析

问题类型	暴力解法复杂度	双指针复杂度	优化幅度
两数之和	O(n²)	O(n)	降一阶
链表环检测	O(n²)	O(n)	降一阶
滑动窗口问题	O(n²)	O(n)	降一阶
三数之和	O(n³)	O(n²)	降一阶

六、常见错误及调试技巧

指针越界： “`c // 错误示例 while(left <= right){ if(arr[left] == target) break; left++; // 可能越界 }

// 正确写法 while(left <= right && left < len && right >= 0){ // … }


2. **死循环问题**：
   - 确保每次循环至少有一个指针会移动
   - 添加循环次数计数器作为保护

3. **多指针同步**：
   ```c
   // 三指针示例（颜色分类问题）
   int low = 0, mid = 0, high = len - 1;
   while(mid <= high){
       if(nums[mid] == 0){
           swap(&nums[low++], &nums[mid++]);
       }else if(nums[mid] == 1){
           mid++;
       }else{
           swap(&nums[mid], &nums[high--]);
       }
   }

七、扩展应用场景

字符串处理：
- 回文串判断
- 字符串压缩（LeetCode 443）
链表高级操作：
- 判断相交链表
- 重排链表（LeetCode 143）
特殊数据结构：
- 二叉搜索树的双指针搜索
- 多路归并的指针协同

八、总结与学习建议

掌握要点：
- 理解三种基本模式的适用场景
- 培养指针移动的条件反射
- 熟练处理边界条件
刷题路线建议： “`
1. 两数之和 → 2. 移除元素 → 3. 盛水容器 →
2. 三数之和 → 5. 最小覆盖子串 → 6. 链表环检测
”`
调试建议：
- 使用printf打印指针位置和关键变量
- 对小规模测试用例进行手动演算
- 绘制指针移动示意图辅助理解

双指针算法体现了C语言指针操作的精华，通过大量练习可以培养出优秀的算法直觉。建议从简单问题入手，逐步过渡到复杂场景的应用。 “`

该文章共计约2150字，包含： - 8个核心章节 - 5个完整代码示例 - 3种模式对比 - 4个优化技巧 - 2个实用表格 - 多个注意事项提示

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