380. O(1) 时间插入、删除和获取随机元素

题目

实现RandomizedSet 类：

RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
bool insert(int val) 当元素 val 不存在时，向集合中插入该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
bool remove(int val) 当元素 val 存在时，从集合中移除该项，并返回 true ；否则，返回 false 。
int getRandom() 随机返回现有集合中的一项（测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素）。每个元素应该有 相同的概率 被返回。
你必须实现类的所有函数，并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1) 。

示例：

输入
[“RandomizedSet”, “insert”, “remove”, “insert”, “getRandom”, “remove”, “insert”, “getRandom”]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]

解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ，表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ，返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中，所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字，getRandom 总是返回 2 。

提示：

-2^31 <= val <= 2^31 - 1
最多调用 insert、remove 和 getRandom 函数 2 * 10^5 次
在调用 getRandom 方法时，数据结构中 至少存在一个 元素。

来源：力扣（LeetCode）
链接：https://leetcode-cn.com/problems/insert-delete-getrandom-o1
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思路

类库内置的HashSet不支持下标访问，所以无法实现#card=math&code=O%281%29&id=Gzix4)时间的。

对于哈希表来说，不支持下标访问，但查找、插入和删除是#card=math&code=O%281%29&id=RsaHk)时间，而数组支持下标访问，那么可以将两者结合。

使用数组存储集合内的数，使用哈希表存储每个数的下标。

插入时，如果该数在哈希表不存在，那么插入数组末尾。

删除时，如果该数在哈希表存在，那么通过哈希表获取其下标，将其和数组末尾元素交换。

获取随机元素时，生成随机的下标，通过访问数组返回即可。

代码

class RandomizedSet {
    int[] nums;
    int capacity = 200000;
    // size表示数组内数的个数，size指向的位置始终为待插入的位置
    int size = 0;
    // 记录每个元素对应的下标，实现O(1)时间查找
    Map<Integer, Integer> map;
    public RandomizedSet() {
        nums = new int[capacity];
        map = new HashMap<>();
    }
    public boolean insert(int val) {
        if (!map.containsKey(val)) {
            nums[size] = val;
            map.put(val, size);
            size++;
            return true;
        }
        return false;
    }
    public boolean remove(int val) {
        if (map.containsKey(val)) {
            int index = map.get(val);
            // size--后指向数组最后一个元素
            size--;
            // 因为要交换待删除元素和数组末尾元素，因此需要改变末尾元素在map中的下标，同时在map中移除待删除元素
            // 注意下面两句顺序不可交换
            // 如果颠倒了，当删除的是最后一个元素时，移除后还会再添加回来
            map.put(nums[size], index);
            map.remove(val);
            // 交换要删除的val和数组末尾元素(nums[size])
            nums[index] = nums[size];
            nums[size] = val;
            return true;
        }
        return false;
    }
    public int getRandom() {
        int randomIndex = (int) (Math.random() * size);
        return nums[randomIndex];
    }
}