B站真題：如何判斷括號是否有效？
本文已收錄至我的 Github《演算法圖解》系列：https://github.com/vipstone/algorithm
今天要講的這道題是 bilibili 今年的筆試真題，也是一道關於棧的經典面試題。
經過前面文章的學習，我想很多朋友已經看出來了，我接下來要寫的是一個關於「演算法圖解」的系列文章，中間可能會穿插少量的其他型別的文章，但「演算法和資料結構」會是我今年文章輸出的重點內容。
我在寫這個算法系列的時候會注意兩個問題：
- 保證演算法的解題思路大家都能看懂，因此我會以圖片的形式進行思路講解，這樣更直觀、更易於理解；
- 在介紹完一個知識點之後，會進行大量的練習，以鞏固所學的內容，比如當我講完「棧」結構之後，我會圍繞著「棧」做一系列的經典面試題練習。
學習演算法最關鍵的是掌握解題的思路，只要思路對了，編寫程式碼只是時間的問題。
我們先來回顧一下往期關於「棧」的內容：
那麼接下來，我們就進入今天的正式內容...
題目
給定一個只包括 '('， ')'， '{'， '}'， '['， ']'的字串，判斷字串是否有效。
有效字串需滿足：
- 左括號必須用相同型別的右括號閉合。
- 左括號必須以正確的順序閉合。
- 注意空字串可被認為是有效字串。
示例1:
輸入: "()"
輸出: true
示例2:
輸入: "()[]{}"
輸出: true
示例3:
輸入: "(]"
輸出: false
示例4:
輸入: "([)]"
輸出: false
示例5:
輸入: "{[]}"
輸出: true
LeetCode 地址：https://leetcode-cn.com/problems/valid-parentheses
解題思路
這道題考察的是就是驗證括號的對稱性，比如“([{}])”這種字串就是正確的，應該返回 true，而“([{})]”這種字串就是錯誤的，應該返回 false。
從上面的題目可以看出，括號總共分為三類：小括號、中括號和大括號，那麼我們可以利用棧先進後出的特性，將所有左邊的括號（“(”、“[”、“{”）先入棧，然後再碰到右括號時，讓它與棧頂的元素進行匹配，比如當遇到“)”時，如果棧頂是“(”，則說明匹配成功，棧頂元素出棧再繼續字串迴圈的流程，如果匹配錯誤就直接返回 false。
假設我們要匹配字串“(([]))”是否合法？那麼執行流程就是這樣的。
首先遇到左邊括號，先入棧：
接下來又是左邊括號，繼續入棧：
然後又是左邊括號，繼續入棧：
接下來是右邊括號，與棧頂元素匹配，“[]”為一對合法的括號，匹配成功棧頂元素出棧：
接下來又是右邊括號，與棧頂元素匹配，“()”為一對合法的括號，匹配成功棧頂元素出棧：
接下來又是右邊括號，與棧頂元素匹配，“()”為一對合法的括號，匹配成功棧頂元素出棧：
當字串迴圈結束並且棧為空棧時，則證明此字串的括號匹配合法，最終的效果如下圖所示：
那麼接下來我們就用程式碼來實現一下整個過程...
實現程式碼一
public boolean isValid(String s) {
int slen = s.length(); // 括號的長度
if (slen % 2 == 1) { // 括號不是成對出現直接返回 false
return false;
}
// 把所有對比的括號存入 map，對比時用
Map<Character, Character> map = new HashMap<>();
map.put(')', '(');
map.put('}', '{');
map.put(']', '[');
// 定義棧，用於存取括號（輔助比較）
Stack<Character> stack = new Stack<>();
for (int i = 0; i < slen; i++) { // 迴圈所有字元
char c = s.charAt(i);
if (map.containsKey(c)) { // 為右邊的括號，如 ')'、'}' 等
if (stack.isEmpty() || stack.peek() != map.get(c)) { // 棧為空或括號不匹配
return false;
}
stack.pop(); // 是一對括號，執行出棧（消除左右括號）
} else { // 左邊括號，直接入棧
stack.push(c);
}
}
return stack.isEmpty();
}
我們在 LeetCode 中提交一下程式碼，執行結果如下：
程式碼解析
以上程式碼的 map集合是用於定義括號的匹配規則，比如“)”對應的匹配值是“(”，“]”的匹配值是“[”等，然後我們再去迴圈待驗證的字串，遇到左括號直接入棧，遇到右括號讓它與棧頂元素匹配，等到整個字串迴圈結束，如果棧為空則說明字串的括號合法。
複雜度分析
時間複雜度：O(n)，遍歷了一遍整個字串。
空間複雜度：O(n)。
實現程式碼二
除了使用棧之外，我們還可以使用藉助 Java 中的 replace方法來實現，我們可以迴圈的消除字串中的括號，比如將“()”或“[]”或“{}”迴圈得替換為空，最後在執行完成之後如果字串為空，則說明字串中的括號是合法的，具體實現程式碼如下：
public boolean isValid(String s) {
int len;
do {
len = s.length();
// 消除成雙成對的符號
s = s.replace("()", "").replace("[]", "").
replace("{}", "");
} while (len != s.length()); // 不能再進行替換了，replace 方法沒有替換任何字元
return s.length() == 0;
}
我們在 LeetCode 中提交一下程式碼，執行結果如下：
從執行結果來看，二者的執行效率相差還是很明顯的：
總結
本文我們講了一道 bilibili 的筆試真題，同時它也是棧的經典面試題，我們可以藉助棧的特性（先進後出）將所有的左括號入棧，當遇到右括號時讓它與棧頂元素進行匹配，當字串迴圈結束棧為空時，則說明此字串的括號是合法的。當然我們在實際面試中，也可以使用 Java 的 replace方法作為一個保底的實現方案，因為 replace 方法的實現相對更簡單一些，只是效能不那麼好。