原文链接: https://leetcode-cn.com/problems/remove-duplicate-letters

英文原文

Given a string s, remove duplicate letters so that every letter appears once and only once. You must make sure your result is the smallest in lexicographical order among all possible results.

 

Example 1:

Input: s = "bcabc"
Output: "abc"

Example 2:

Input: s = "cbacdcbc"
Output: "acdb"

 

Constraints:

• 1 <= s.length <= 104
• s consists of lowercase English letters.

 

Note: This question is the same as 1081: https://leetcode.com/problems/smallest-subsequence-of-distinct-characters/

中文题目

给你一个字符串 s ，请你去除字符串中重复的字母，使得每个字母只出现一次。需保证 返回结果的字典序最小（要求不能打乱其他字符的相对位置）。

注意：该题与 1081 https://leetcode-cn.com/problems/smallest-subsequence-of-distinct-characters 相同

 

示例 1：

输入：s = "bcabc"
输出："abc"

示例 2：

输入：s = "cbacdcbc"
输出："acdb"

 

提示：

• 1 <= s.length <= 104
• s 由小写英文字母组成

通过代码

高赞题解

我花了几天时间，从力扣中精选了四道相同思想的题目，来帮助大家解套，如果觉得文章对你有用，记得点赞分享，让我看到你的认可，有动力继续做下去。

这就是接下来要给大家讲的四个题，其中 1081 和 316 题只是换了说法而已。

• 316. 去除重复字母(困难)
• 321. 拼接最大数(困难)
• 402. 移掉 K 位数字(中等)
• 1081. 不同字符的最小子序列（中等）

402. 移掉 K 位数字（中等）

我们从一个简单的问题入手，识别一下这种题的基本形式和套路，为之后的三道题打基础。

题目描述

给定一个以字符串表示的非负整数  num，移除这个数中的 k 位数字，使得剩下的数字最小。

注意:

num 的长度小于 10002 且  ≥ k。
num 不会包含任何前导零。


示例 1 :

输入: num = "1432219", k = 3
输出: "1219"
解释: 移除掉三个数字 4, 3, 和 2 形成一个新的最小的数字 1219。
示例 2 :

输入: num = "10200", k = 1
输出: "200"
解释: 移掉首位的 1 剩下的数字为 200. 注意输出不能有任何前导零。
示例 3 :

输入: num = "10", k = 2
输出: "0"
解释: 从原数字移除所有的数字，剩余为空就是 0。

前置知识

• 数学

思路

这道题让我们从一个字符串数字中删除 k 个数字，使得剩下的数最小。也就说，我们要保持原来的数字的相对位置不变。

以题目中的 num = 1432219， k = 3 为例，我们需要返回一个长度为 4 的字符串，问题在于： 我们怎么才能求出这四个位置依次是什么呢？

（图 1）

暴力法的话，我们需要枚举C_n^(n - k) 种序列（其中 n 为数字长度），并逐个比较最大。这个时间复杂度是指数级别的，必须进行优化。

一个思路是：

• 从左到右遍历
• 对于每一个遍历到的元素，我们决定是丢弃还是保留

问题的关键是：我们怎么知道，一个元素是应该保留还是丢弃呢？

这里有一个前置知识：对于两个数 123a456 和 123b456，如果 a > b， 那么数字 123a456 大于 数字 123b456，否则数字 123a456 小于等于数字 123b456。也就说，两个相同位数的数字大小关系取决于第一个不同的数的大小。

因此我们的思路就是：

• 从左到右遍历
• 对于遍历到的元素，我们选择保留。
• 但是我们可以选择性丢弃前面相邻的元素。
• 丢弃与否的依据如上面的前置知识中阐述中的方法。

以题目中的 num = 1432219， k = 3 为例的图解过程如下：

（图 2）

由于没有左侧相邻元素，因此没办法丢弃。

（图 3）

由于 4 比左侧相邻的 1 大。如果选择丢弃左侧的 1，那么会使得剩下的数字更大（开头的数从 1 变成了 4）。因此我们仍然选择不丢弃。

（图 4）

由于 3 比左侧相邻的 4 小。 如果选择丢弃左侧的 4，那么会使得剩下的数字更小（开头的数从 4 变成了 3）。因此我们选择丢弃。

。。。

后面的思路类似，我就不继续分析啦。

然而需要注意的是，如果给定的数字是一个单调递增的数字，那么我们的算法会永远选择不丢弃。这个题目中要求的，我们要永远确保丢弃 k 个矛盾。

一个简单的思路就是：

• 每次丢弃一次，k 减去 1。当 k 减到 0 ，我们可以提前终止遍历。
• 而当遍历完成，如果 k 仍然大于 0。不妨假设最终还剩下 x 个需要丢弃，那么我们需要选择删除末尾 x 个元素。

上面的思路可行，但是稍显复杂。

（图 5）

我们需要把思路逆转过来。刚才我的关注点一直是丢弃，题目要求我们丢弃 k 个。反过来说，不就是让我们保留 $n - k$ 个元素么？其中 n 为数字长度。 那么我们只需要按照上面的方法遍历完成之后，再截取前n - k个元素即可。

按照上面的思路，我们来选择数据结构。由于我们需要保留和丢弃相邻的元素，因此使用栈这种在一端进行添加和删除的数据结构是再合适不过了，我们来看下代码实现。

代码（Python）

class Solution(object):
    def removeKdigits(self, num, k):
        stack = []
        remain = len(num) - k
        for digit in num:
            while k and stack and stack[-1] > digit:
                stack.pop()
                k -= 1
            stack.append(digit)
        return ''.join(stack[:remain]).lstrip('0') or '0'

复杂度分析

• 时间复杂度：虽然内层还有一个 while 循环，但是由于每个数字最多仅会入栈出栈一次，因此时间复杂度仍然为 $O(N)$，其中 $N$ 为数字长度。
• 空间复杂度：我们使用了额外的栈来存储数字，因此空间复杂度为 $O(N)$，其中 $N$ 为数字长度。

提示： 如果题目改成求删除 k 个字符之后的最大数，我们只需要将 stack[-1] > digit 中的大于号改成小于号即可。

316. 去除重复字母（困难）

题目描述

给你一个仅包含小写字母的字符串，请你去除字符串中重复的字母，使得每个字母只出现一次。需保证返回结果的字典序最小（要求不能打乱其他字符的相对位置）。

示例 1:

输入: "bcabc"
输出: "abc"
示例 2:

输入: "cbacdcbc"
输出: "acdb"

前置知识

• 字典序
• 数学

思路

与上面题目不同，这道题没有一个全局的删除次数 k。而是对于每一个在字符串 s 中出现的字母 c 都有一个 k 值。这个 k 是 c 出现次数 - 1。

沿用上面的知识的话，我们首先要做的就是计算每一个字符的 k，可以用一个字典来描述这种关系，其中 key 为 字符 c，value 为其出现的次数。

具体算法：

• 建立一个字典。其中 key 为 字符 c，value 为其出现的剩余次数。
• 从左往右遍历字符串，每次遍历到一个字符，其剩余出现次数 - 1.
• 对于每一个字符，如果其对应的剩余出现次数大于 1，我们可以选择丢弃（也可以选择不丢弃），否则不可以丢弃。
• 是否丢弃的标准和上面题目类似。如果栈中相邻的元素字典序更大，那么我们选择丢弃相邻的栈中的元素。

还记得上面题目的边界条件么？如果栈中剩下的元素大于 $n - k$，我们选择截取前 $n - k$ 个数字。然而本题中的 k 是分散在各个字符中的，因此这种思路不可行的。

不过不必担心。由于题目是要求只出现一次。我们可以在遍历的时候简单地判断其是否在栈上即可。

代码：

class Solution:
    def removeDuplicateLetters(self, s) -> int:
        stack = []
        remain_counter = collections.Counter(s)

        for c in s:
            if c not in stack:
                while stack and c < stack[-1] and  remain_counter[stack[-1]] > 0:
                    stack.pop()
                stack.append(c)
            remain_counter[c] -= 1
        return ''.join(stack)

复杂度分析

• 时间复杂度：由于判断当前字符是否在栈上存在需要 $O(N)$ 的时间，因此总的时间复杂度就是 $O(N ^ 2)$，其中 $N$ 为字符串长度。
• 空间复杂度：我们使用了额外的栈来存储数字，因此空间复杂度为 $O(N)$，其中 $N$ 为字符串长度。

查询给定字符是否在一个序列中存在的方法。根本上来说，有两种可能：

• 有序序列： 可以二分法，时间复杂度大致是 $O(N)$。
• 无序序列： 可以使用遍历的方式，最坏的情况下时间复杂度为 $O(N)$。我们也可以使用空间换时间的方式，使用 $N$的空间 换取 $O(1)$的时间复杂度。

由于本题中的 stack 并不是有序的，因此我们的优化点考虑空间换时间。而由于每种字符仅可以出现一次，这里使用 hashset 即可。

代码（Python）

class Solution:
    def removeDuplicateLetters(self, s) -> int:
        stack = []
        seen = set()
        remain_counter = collections.Counter(s)

        for c in s:
            if c not in seen:
                while stack and c < stack[-1] and  remain_counter[stack[-1]] > 0:
                    seen.discard(stack.pop())
                seen.add(c)
                stack.append(c)
            remain_counter[c] -= 1
        return ''.join(stack)

复杂度分析

• 时间复杂度：$O(N)$，其中 $N$ 为字符串长度。
• 空间复杂度：我们使用了额外的栈和 hashset，因此空间复杂度为 $O(N)$，其中 $N$ 为字符串长度。

LeetCode 《1081. 不同字符的最小子序列》 和本题一样，不再赘述。

321. 拼接最大数（困难）

题目描述

给定长度分别为  m  和  n  的两个数组，其元素由  0-9  构成，表示两个自然数各位上的数字。现在从这两个数组中选出 k (k <= m + n)  个数字拼接成一个新的数，要求从同一个数组中取出的数字保持其在原数组中的相对顺序。

求满足该条件的最大数。结果返回一个表示该最大数的长度为  k  的数组。

说明: 请尽可能地优化你算法的时间和空间复杂度。

示例  1:

输入:
nums1 = [3, 4, 6, 5]
nums2 = [9, 1, 2, 5, 8, 3]
k = 5
输出:
[9, 8, 6, 5, 3]
示例 2:

输入:
nums1 = [6, 7]
nums2 = [6, 0, 4]
k = 5
输出:
[6, 7, 6, 0, 4]
示例 3:

输入:
nums1 = [3, 9]
nums2 = [8, 9]
k = 3
输出:
[9, 8, 9]

前置知识

• 分治
• 数学

思路

和第一道题类似，只不不过这一次是两个数组，而不是一个，并且是求最大数。

最大最小是无关紧要的，关键在于是两个数组，并且要求从两个数组选取的元素个数加起来一共是 k。

然而在一个数组中取 k 个数字，并保持其最小（或者最大），我们已经会了。但是如果问题扩展到两个，会有什么变化呢？

实际上，问题本质并没有发生变化。 假设我们从 nums1 中取了 k1 个，从 num2 中取了 k2 个，其中 k1 + k2 = k。而 k1 和 k2 这 两个子问题我们是会解决的。由于这两个子问题是相互独立的，因此我们只需要分别求解，然后将结果合并即可。

假如 k1 和 k2 个数字，已经取出来了。那么剩下要做的就是将这个长度分别为 k1 和 k2 的数字，合并成一个长度为 k 的数组合并成一个最大的数组。

以题目的 nums1 = [3, 4, 6, 5] nums2 = [9, 1, 2, 5, 8, 3] k = 5 为例。 假如我们从 num1 中取出 1 个数字，那么就要从 nums2 中取出 4 个数字。

运用第一题的方法，我们计算出应该取 nums1 的 [6]，并取 nums2 的 [9,5,8,3]。 如何将 [6] 和 [9,5,8,3]，使得数字尽可能大，并且保持相对位置不变呢？

实际上这个过程有点类似归并排序中的治，而上面我们分别计算 num1 和 num2 的最大数的过程类似归并排序中的分。

（图 6）

代码：

我们将从 num1 中挑选的 k1 个数组成的数组称之为 A，将从 num2 中挑选的 k2 个数组成的数组称之为 B，

def merge(A, B):
    ans = []
    while A or B:
        bigger = A if A > B else B
        ans.append(bigger[0])
        bigger.pop(0)
    return ans

这里需要说明一下。 在很多编程语言中：如果 A 和 B 是两个数组，当前仅当 A 的首个元素字典序大于 B 的首个元素，A > B 返回 true，否则返回 false。

比如：

A = [1,2]
B = [2]
A < B # True

A = [1,2]
B = [1,2,3]
A < B # False

以合并 [6] 和 [9,5,8,3] 为例，图解过程如下：

（图 7）

具体算法：

• 从 nums1 中 取 $min(i, len(nums1))$ 个数形成新的数组 A（取的逻辑同第一题），其中 i 等于 0,1,2, … k。
• 从 nums2 中 对应取 $min(j, len(nums2))$ 个数形成新的数组 B（取的逻辑同第一题），其中 j 等于 k - i。
• 将 A 和 B 按照上面的 merge 方法合并
• 上面我们暴力了 k 种组合情况，我们只需要将 k 种情况取出最大值即可。

代码（Python）

class Solution:
    def maxNumber(self, nums1, nums2, k):

        def pick_max(nums, k):
            stack = []
            drop = len(nums) - k
            for num in nums:
                while drop and stack and stack[-1] < num:
                    stack.pop()
                    drop -= 1
                stack.append(num)
            return stack[:k]

        def merge(A, B):
            ans = []
            while A or B:
                bigger = A if A > B else B
                ans.append(bigger[0])
                bigger.pop(0)
            return ans

        return max(merge(pick_max(nums1, i), pick_max(nums2, k-i)) for i in range(k+1) if i <= len(nums1) and k-i <= len(nums2))

复杂度分析

• 时间复杂度：pick_max 的时间复杂度为 $O(M + N)$ ，其中 $M$ 为 nums1 的长度，$N$ 为 nums2 的长度。 merge 的时间复杂度为 $O(k)$，再加上外层遍历所有的 k 中可能性。因此总的时间复杂度为 $O(k^2 * (M + N))$。
• 空间复杂度：我们使用了额外的 stack 和 ans 数组，因此空间复杂度为 $O(max(M, N, k))$，其中 $M$ 为 nums1 的长度，$N$ 为 nums2 的长度。

总结

这四道题都是删除或者保留若干个字符，使得剩下的数字最小（或最大）或者字典序最小（或最大）。而解决问题的前提是要有一定数学前提。而基于这个数学前提，我们贪心地删除栈中相邻的字符。如果你会了这个套路，那么这四个题目应该都可以轻松解决。

316. 去除重复字母（困难），我们使用 hashmap 代替了数组的遍历查找，属于典型的空间换时间方式，可以认识到数据结构的灵活使用是多么的重要。背后的思路是怎么样的？为什么想到空间换时间的方式，我在文中也进行了详细的说明，这都是值得大家思考的问题。然而实际上，这些题目中使用的栈也都是空间换时间的思想。大家下次碰到需要空间换取时间的场景，是否能够想到本文给大家介绍的栈和哈希表呢？

321. 拼接最大数（困难）则需要我们能够对问题进行分解，这绝对不是一件简单的事情。但是对难以解决的问题进行分解是一种很重要的技能，希望大家能够通过这道题加深这种分治思想的理解。 大家可以结合我之前写过的几个题解练习一下，它们分别是：

• 【简单易懂】归并排序（Python）

以上就是本文的全部内容了。大家对此有何看法，欢迎给我留言，我有时间都会一一查看回答。更多算法套路可以访问我的 LeetCode 题解仓库：https://github.com/azl397985856/leetcode 。 目前已经 38K star 啦。大家也可以关注我的公众号《力扣加加》带你啃下算法这块硬骨头。

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