Java实现LeetCode第347题：获取前K个高频元素

LeetCode第347题是一道关于数据处理与算法设计的问题，题目要求找出数组中出现频率前k高的元素。具体来说，给定一个非空的整数数组，返回其中出现频率前k高的元素。给定的答案需要以列表形式返回，并且不考虑答案元素的顺序。此外，如果多个数字出现频率相同，则按照数值大小顺序排列。这个问题涉及到数据结构的选择、排序算法的应用以及算法效率的优化。 在Java实现方面，常见的解决方案是使用最小堆（优先队列）来维护一个大小为k的堆，以此来快速定位到前k个高频元素。首先，需要统计数组中各个元素出现的频率，可以使用HashMap来实现。然后，遍历HashMap，将频率和元素作为对象存入最小堆中，并保持堆的大小不超过k。最后，将堆中元素进行排序后输出即可。这种方法的时间复杂度是O(Nlogk)，其中N为数组长度，k为要返回的元素数量。 这个问题同样可以用哈希表加数组或链表实现，如果k比较小，可以使用数组来模拟最小堆，这样可以避免优先队列的复杂度。哈希表用于存储元素及其出现频率，数组或链表存储堆结构，用于维护频率降序排列的元素。这种方法的空间复杂度较高，但对小规模数据集来说是可行的。 除此之外，还可以采用快速选择算法，这是一种基于快速排序的算法，用于在未完全排序的数组中查找第k个最大元素。快速选择算法的时间复杂度平均为O(N)，但它需要修改原始数据，如果需要保留原始数据不变，则不适用此方法。 以下是Java代码的一个示例实现，主要使用了HashMap和优先队列（最小堆）： ```java import java.util.HashMap; import java.util.Map; import java.util.PriorityQueue; public class Solution { public List<Integer> topKFrequent(int[] nums, int k) { // 统计频率 Map<Integer, Integer> frequencyMap = new HashMap<>(); for (int num : nums) { frequencyMap.put(num, frequencyMap.getOrDefault(num, 0) + 1); } // 创建最小堆 PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> frequencyMap.get(a) - frequencyMap.get(b)); // 堆中维持k个元素 for (int num : frequencyMap.keySet()) { minHeap.offer(num); if (minHeap.size() > k) { minHeap.poll(); } } // 返回结果（由于是最小堆，结果需要反转） List<Integer> topK = new ArrayList<>(); while (!minHeap.isEmpty()) { topK.add(minHeap.poll()); } // 反转列表，因为是最小堆，所以实际频率是从大到小的 for (int i = 0; i < topK.size() / 2; i++) { int temp = topK.get(i); topK.set(i, topK.get(topK.size() - i - 1)); topK.set(topK.size() - i - 1, temp); } return topK; } } ``` 在此代码中，首先统计了每个数字的出现频率，然后将数字及其频率存入最小堆中。通过维持堆的大小为k，我们可以保证堆顶的元素是出现频率最低的。通过不断的插入和删除操作，最终得到的堆顶元素即为前k个高频元素。最后，将堆中的元素按照频率降序排列后输出即可。 对于不同场景，实现的细节可能会有所变化，但核心思路是不变的。这个问题的解决不仅仅需要数据结构和算法的知识，还需要对Java中的一些高级特性有一定的了解和掌握，如HashMap的使用、优先队列的实现原理等。此外，对于大规模数据集，如何平衡时间和空间复杂度，以及如何有效地进行性能优化，也是需要考量的重要因素。