130-被围绕的区域(Surrounded Regions)

原文链接: https://leetcode-cn.com/problems/surrounded-regions

英文原文

Given an m x n matrix board containing 'X' and 'O', capture all regions that are 4-directionally surrounded by 'X'.

A region is captured by flipping all 'O's into 'X's in that surrounded region.

Example 1:

Input: board = [["X","X","X","X"],["X","O","O","X"],["X","X","O","X"],["X","O","X","X"]]
Output: [["X","X","X","X"],["X","X","X","X"],["X","X","X","X"],["X","O","X","X"]]
Explanation: Surrounded regions should not be on the border, which means that any 'O' on the border of the board are not flipped to 'X'. Any 'O' that is not on the border and it is not connected to an 'O' on the border will be flipped to 'X'. Two cells are connected if they are adjacent cells connected horizontally or vertically.

Example 2:

Input: board = [["X"]]
Output: [["X"]]

Constraints:

m == board.length
n == board[i].length
1 <= m, n <= 200
board[i][j] is 'X' or 'O'.

中文题目

给你一个 m x n 的矩阵 board ，由若干字符 'X' 和 'O' ，找到所有被 'X' 围绕的区域，并将这些区域里所有的 'O' 用 'X' 填充。

示例 1：

输入：board = [["X","X","X","X"],["X","O","O","X"],["X","X","O","X"],["X","O","X","X"]]
输出：[["X","X","X","X"],["X","X","X","X"],["X","X","X","X"],["X","O","X","X"]]
解释：被围绕的区间不会存在于边界上，换句话说，任何边界上的 'O' 都不会被填充为 'X'。 任何不在边界上，或不与边界上的 'O' 相连的 'O' 最终都会被填充为 'X'。如果两个元素在水平或垂直方向相邻，则称它们是“相连”的。

示例 2：

输入：board = [["X"]]
输出：[["X"]]

提示：

m == board.length
n == board[i].length
1 <= m, n <= 200
board[i][j] 为 'X' 或 'O'

通过代码

高赞题解

思路：

这道题我们拿到基本就可以确定是图的 dfs、bfs 遍历的题目了。题目中解释说被包围的区间不会存在于边界上，所以我们会想到边界上的 $O$ 要特殊处理，只要把边界上的 $O$ 特殊处理了，那么剩下的 $O$ 替换成 $X$ 就可以了。问题转化为，如何**寻找和边界联通的 $O$**，我们需要考虑如下情况。

X X X X
X O O X
X X O X
X O O X

这时候的 $O$ 是不做替换的。因为和边界是连通的。为了记录这种状态，我们把这种情况下的 $O$ 换成 $#$ 作为占位符，待搜索结束之后，遇到 $O$ 替换为 $X$（**和边界不连通的 $O$**）；遇到 $#$，替换回 $O(和边界连通的 $O$)。

如何寻找和边界联通的$O$? 从边界出发，对图进行 dfs 和 bfs 即可。这里简单总结下 dfs 和 dfs。

bfs 递归。可以想想二叉树中如何递归的进行层序遍历。
bfs 非递归。一般用队列存储。
dfs 递归。最常用，如二叉树的先序遍历。
dfs 非递归。一般用 stack。

那么基于上面这种想法，我们有四种方式实现。

dfs递归:

[-Java]
class Solution {
    public void solve(char[][] board) {
        if (board == null || board.length == 0) return;
        int m = board.length;
        int n = board[0].length;
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                // 从边缘o开始搜索
                boolean isEdge = i == 0 || j == 0 || i == m - 1 || j == n - 1;
                if (isEdge && board[i][j] == 'O') {
                    dfs(board, i, j);
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                if (board[i][j] == 'O') {
                    board[i][j] = 'X';
                }
                if (board[i][j] == '#') {
                    board[i][j] = 'O';
                }
            }
        }
    }

    public void dfs(char[][] board, int i, int j) {
        if (i < 0 || j < 0 || i >= board.length  || j >= board[0].length || board[i][j] == 'X' || board[i][j] == '#') {
            // board[i][j] == '#' 说明已经搜索过了. 
            return;
        }
        board[i][j] = '#';
        dfs(board, i - 1, j); // 上
        dfs(board, i + 1, j); // 下
        dfs(board, i, j - 1); // 左
        dfs(board, i, j + 1); // 右
    }
}

dsf 非递归:

非递归的方式，我们需要记录每一次遍历过的位置，我们用 stack 来记录，因为它先进后出的特点。而位置我们定义一个内部类 Pos 来标记横坐标和纵坐标。注意的是，在写非递归的时候，我们每次查看 stack 顶，但是并不出 stack，直到这个位置上下左右都搜索不到的时候出 Stack。

[-Java]
class Solution {
    public class Pos{
        int i;
        int j;
        Pos(int i, int j) {
            this.i = i;
            this.j = j;
        }
    }
    public void solve(char[][] board) {
        if (board == null || board.length == 0) return;
        int m = board.length;
        int n = board[0].length;
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                // 从边缘第一个是o的开始搜索
                boolean isEdge = i == 0 || j == 0 || i == m - 1 || j == n - 1;
                if (isEdge && board[i][j] == 'O') {
                    dfs(board, i, j);
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                if (board[i][j] == 'O') {
                    board[i][j] = 'X';
                }
                if (board[i][j] == '#') {
                    board[i][j] = 'O';
                }
            }
        }
    }

    public void dfs(char[][] board, int i, int j) {
        Stack<Pos> stack = new Stack<>();
        stack.push(new Pos(i, j));
        board[i][j] = '#';
        while (!stack.isEmpty()) {
            // 取出当前stack 顶, 不弹出.
            Pos current = stack.peek();
            // 上
            if (current.i - 1 >= 0 
                && board[current.i - 1][current.j] == 'O') {
                stack.push(new Pos(current.i - 1, current.j));
                board[current.i - 1][current.j] = '#';
              continue;
            }
            // 下
            if (current.i + 1 <= board.length - 1 
                && board[current.i + 1][current.j] == 'O') {
                stack.push(new Pos(current.i + 1, current.j));
                board[current.i + 1][current.j] = '#';      
                continue;
            }
            // 左
            if (current.j - 1 >= 0 
                && board[current.i][current.j - 1] == 'O') {
                stack.push(new Pos(current.i, current.j - 1));
                board[current.i][current.j - 1] = '#';
                continue;
            }
            // 右
            if (current.j + 1 <= board[0].length - 1 
                && board[current.i][current.j + 1] == 'O') {
                stack.push(new Pos(current.i, current.j + 1));
                board[current.i][current.j + 1] = '#';
                continue;
            }
            // 如果上下左右都搜索不到,本次搜索结束，弹出stack
            stack.pop();
        }
    }
}

bfs 非递归:

dfs 非递归的时候我们用 stack 来记录状态，而 bfs 非递归，我们则用队列来记录状态。和 dfs 不同的是，dfs 中搜索上下左右，只要搜索到一个满足条件，我们就顺着该方向继续搜索，所以你可以看到 dfs 代码中，只要满足条件，就入 Stack，然后 continue 本次搜索，进行下一次搜索，直到搜索到没有满足条件的时候出 stack。而 dfs 中，我们要把上下左右满足条件的都入队，所以搜索的时候就不能 continue。大家可以对比下两者的代码，体会 bfs 和 dfs 的差异。

[-Java]
class Solution {
    public class Pos{
        int i;
        int j;
        Pos(int i, int j) {
            this.i = i;
            this.j = j;
        }
    }
    public void solve(char[][] board) {
        if (board == null || board.length == 0) return;
        int m = board.length;
        int n = board[0].length;
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                // 从边缘第一个是o的开始搜索
                boolean isEdge = i == 0 || j == 0 || i == m - 1 || j == n - 1;
                if (isEdge && board[i][j] == 'O') {
                    bfs(board, i, j);
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                if (board[i][j] == 'O') {
                    board[i][j] = 'X';
                }
                if (board[i][j] == '#') {
                    board[i][j] = 'O';
                }
            }
        }
    }

    public void bfs(char[][] board, int i, int j) {
        Queue<Pos> queue = new LinkedList<>();
        queue.add(new Pos(i, j));
        board[i][j] = '#';
        while (!queue.isEmpty()) {
            Pos current = queue.poll();
            // 上
            if (current.i - 1 >= 0 
                && board[current.i - 1][current.j] == 'O') {
                queue.add(new Pos(current.i - 1, current.j));
                board[current.i - 1][current.j] = '#';
              	// 没有continue.
            }
            // 下
            if (current.i + 1 <= board.length - 1 
                && board[current.i + 1][current.j] == 'O') {
                queue.add(new Pos(current.i + 1, current.j));
                board[current.i + 1][current.j] = '#';      
            }
            // 左
            if (current.j - 1 >= 0 
                && board[current.i][current.j - 1] == 'O') {
                queue.add(new Pos(current.i, current.j - 1));
                board[current.i][current.j - 1] = '#';
            }
            // 右
            if (current.j + 1 <= board[0].length - 1 
                && board[current.i][current.j + 1] == 'O') {
                queue.add(new Pos(current.i, current.j + 1));
                board[current.i][current.j + 1] = '#';
            }
        }
    }
}

bfs 递归:

bfs 一般我们不会去涉及，而且比较绕，之前我们唯一 A 过的用 bfs 递归的方式是层序遍历二叉树的时候可以用递归的方式。

并查集:

并查集这种数据结构好像大家不太常用，实际上很有用，我在实际的 production code 中用过并查集。并查集常用来解决连通性的问题，即将一个图中连通的部分划分出来。当我们判断图中两个点之间是否存在路径时，就可以根据判断他们是否在一个连通区域。而这道题我们其实求解的就是和边界的 $O$ 在一个连通区域的的问题。

并查集的思想就是，同一个连通区域内的所有点的根节点是同一个。将每个点映射成一个数字。先假设每个点的根节点就是他们自己，然后我们以此输入连通的点对，然后将其中一个点的根节点赋成另一个节点的根节点，这样这两个点所在连通区域又相互连通了。
并查集的主要操作有：

find(int m)：这是并查集的基本操作，查找 $m$ 的根节点。
isConnected(int m,int n)：判断 $m，n$ 两个点是否在一个连通区域。
union(int m,int n):合并 $m，n$ 两个点所在的连通区域。

class UnionFind {
    int[] parents;

    public UnionFind(int totalNodes) {
        parents = new int[totalNodes];
        for (int i = 0; i < totalNodes; i++) {
            parents[i] = i;
        }
    }
		// 合并连通区域是通过find来操作的, 即看这两个节点是不是在一个连通区域内.
    void union(int node1, int node2) {
        int root1 = find(node1);
        int root2 = find(node2);
        if (root1 != root2) {
            parents[root2] = root1;
        }
    }

    int find(int node) {
        while (parents[node] != node) {
            // 当前节点的父节点 指向父节点的父节点.
            // 保证一个连通区域最终的parents只有一个.
            parents[node] = parents[parents[node]];
            node = parents[node];
        }

        return node;
    }

    boolean isConnected(int node1, int node2) {
        return find(node1) == find(node2);
    }
}

我们的思路是把所有边界上的 $O$ 看做一个连通区域。遇到 $O$ 就执行并查集合并操作，这样所有的 $O$ 就会被分成两类

和边界上的 $O$ 在一个连通区域内的。这些 $O$ 我们保留。
不和边界上的 $O$ 在一个连通区域内的。这些 $O$ 就是被包围的，替换。

由于并查集我们一般用一维数组来记录，方便查找 parants，所以我们将二维坐标用 node 函数转化为一维坐标。

public void solve(char[][] board) {
        if (board == null || board.length == 0)
            return;

        int rows = board.length;
        int cols = board[0].length;

        // 用一个虚拟节点, 边界上的O 的父节点都是这个虚拟节点
        UnionFind uf = new UnionFind(rows * cols + 1);
        int dummyNode = rows * cols;

        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++) {
                if (board[i][j] == 'O') {
                    // 遇到O进行并查集操作合并
                    if (i == 0 || i == rows - 1 || j == 0 || j == cols - 1) {
                        // 边界上的O,把它和dummyNode 合并成一个连通区域.
                        uf.union(node(i, j), dummyNode);
                    } else {
                        // 和上下左右合并成一个连通区域.
                        if (i > 0 && board[i - 1][j] == 'O')
                            uf.union(node(i, j), node(i - 1, j));
                        if (i < rows - 1 && board[i + 1][j] == 'O')
                            uf.union(node(i, j), node(i + 1, j));
                        if (j > 0 && board[i][j - 1] == 'O')
                            uf.union(node(i, j), node(i, j - 1));
                        if (j < cols - 1 && board[i][j + 1] == 'O')
                            uf.union(node(i, j), node(i, j + 1));
                    }
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++) {
                if (uf.isConnected(node(i, j), dummyNode)) {
                    // 和dummyNode 在一个连通区域的,那么就是O；
                    board[i][j] = 'O';
                } else {
                    board[i][j] = 'X';
                }
            }
        }
    }

    int node(int i, int j) {
        return i * cols + j;
    }
}

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