手把手解决三道括号相关的算法题

读完本文，你能够去力扣解决以下问题：

20.有效的括号（Easy）

921.使括号有效的最小插入（Medium）

1541.平衡括号串的最少插入（Medium）

判断合法括号串

对括号的合法性判断屡次在笔试中出现，现实中也很常见，好比说咱们写的代码，编辑器会检查括号是否正确闭合。并且咱们的代码可能会包含三种括号[](){}，判断起来有一点难度。

来看一看力扣第 20 题「有效的括号」，输入一个字符串，其中包含[](){}六种括号，请你判断这个字符串组成的括号是否合法。

举几个例子：

Input: "()[]{}"
Output: true

Input: "([)]"
Output: false

Input: "{[]}"
Output: true

解决这个问题以前，咱们先下降难度，思考一下，如果只有一种括号()，应该如何判断字符串组成的括号是否合法呢？

假设字符串中只有圆括号，若是想让括号字符串合法，那么必须作到：

每一个右括号)的左边必须有一个左括号(和它匹配。

好比说字符串()))((中，中间的两个右括号左边就没有左括号匹配，因此这个括号组合是不合法的。

那么根据这个思路，咱们能够写出算法：

bool isValid(string str) {
    // 待匹配的左括号数量
    int left = 0;
    for (int i = 0; i < str.size(); i++) {
        if (s[i] == '(') {
            left++;
        } else {
            // 遇到右括号
            left--;
        }

        // 右括号太多
        if (left == -1)
            return false;
    }
    // 是否全部的左括号都被匹配了
    return left == 0;
}

若是只有圆括号，这样就能正确判断合法性。对于三种括号的状况，我一开始想模仿这个思路，定义三个变量left1，left2，left3分别处理每种括号，虽然要多写很多 if else 分支，可是彷佛能够解决问题。

但实际上直接照搬这种思路是不行的，好比说只有一个括号的状况下(())是合法的，可是多种括号的状况下，[(])显然是不合法的。

仅仅记录每种左括号出现的次数已经不能作出正确判断了，咱们要加大存储的信息量，能够利用栈来模仿相似的思路。栈是一种先进后出的数据结构，处理括号问题的时候尤为有用。

咱们这道题就用一个名为left的栈代替以前思路中的left变量，遇到左括号就入栈，遇到右括号就去栈中寻找最近的左括号，看是否匹配：

bool isValid(string str) {
    stack<char> left;
    for (char c : str) {
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[')
            left.push(c);
        else { // 字符 c 是右括号
            if (!left.empty() && leftOf(c) == left.top())
                left.pop();
            else
                // 和最近的左括号不匹配
                return false;
        }
    }
    // 是否全部的左括号都被匹配了
    return left.empty();
}

char leftOf(char c) {
    if (c == '}') return '{';
    if (c == ')') return '(';
    return '[';
}

接下来说另外两个常见的问题，如何经过最小的插入次数将括号变成合法的？

平衡括号串（一）

先来个简单的，力扣第 921 题「使括号有效的最少添加」：

给你输入一个字符串s，你能够在其中的任意位置插入左括号(或者右括号)，请问你最少须要几回插入才能使得s变成一个合法的括号串？

好比说输入s = "())("，算法应该返回 2，由于咱们至少须要插入两次把s变成"(())()"，这样每一个左括号都有一个右括号匹配，s是一个合法的括号串。

这其实和前文的判断括号合法性很是相似，咱们直接看代码：

int minAddToMakeValid(string s) {
    // res 记录插入次数
    int res = 0;
    // need 变量记录右括号的需求量
    int need = 0;

    for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
        if (s[i] == '(') {
            // 对右括号的需求 + 1
            need++;
        }

        if (s[i] == ')') {
            // 对右括号的需求 - 1
            need--;

            if (need == -1) {
                need = 0;
                // 需插入一个左括号
                res++;
            }
        }
    }

    return res + need;
}

这段代码就是最终解法，核心思路是以左括号为基准，经过维护对右括号的需求数need，来计算最小的插入次数。须要注意两个地方：

一、当need == -1的时候意味着什么？

由于只有遇到右括号)的时候才会need--，need == -1意味着右括号太多了，因此须要插入左括号。

好比说s = "))"这种状况，须要插入 2 个左括号，使得s变成"()()"，才是一个合法括号串。

二、算法为何返回res + need？

由于res记录的左括号的插入次数，need记录了右括号的需求，当 for 循环结束后，若need不为 0，那么就意味着右括号还不够，须要插入。

好比说s = "))("这种状况，插入 2 个左括号以后，还要再插入 1 个右括号，使得s变成"()()()"，才是一个合法括号串。

以上就是这道题的思路，接下来咱们看一道进阶题目，若是左右括号不是 1:1 配对，会出现什么问题呢？

平衡括号串（二）

这是力扣第 1541 题「平衡括号字符串的最少插入次数」：

如今假设 1 个左括号须要匹配 2 个右括号才叫作合法的括号组合，那么给你输入一个括号串s，请问你如何计算使得s合法的最小插入次数呢？

核心思路仍是和刚才同样，经过一个need变量记录对右括号的需求数，根据need的变化来判断是否须要插入。

第一步，咱们按照刚才的思路正确维护need变量：

int minInsertions(string s) {
    // need 记录需右括号的需求量
    int res = 0, need = 0;

    for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
        // 一个左括号对应两个右括号
        if (s[i] == '(') {
            need += 2;
        }

        if (s[i] == ')') {
            need--;
        }
    }

    return res + need;
}

如今想想，当need为何值的时候，咱们能够肯定须要进行插入？

首先，相似第一题，当need == -1时，意味着咱们遇到一个多余的右括号，显然须要插入一个左括号。

好比说当s = ")"，咱们确定须要插入一个左括号让s = "()"，可是因为一个左括号须要两个右括号，因此对右括号的需求量变为 1：

if (s[i] == ')') {
    need--;
    // 说明右括号太多了
    if (need == -1) {
        // 须要插入一个左括号
        res++;
        // 同时，对右括号的需求变为 1
        need = 1;
    }
}

另外，当遇到左括号时，若对右括号的需求量为奇数，须要插入 1 个右括号。由于一个左括号须要两个右括号嘛，右括号的需求必须是偶数，这一点也是本题的难点。

因此遇到左括号时要作以下判断：

if (s[i] == '(') {
    need += 2;
    if (need % 2 == 1) {
        // 插入一个右括号
        res++;
        // 对右括号的需求减一
        need--;
    }
}

综上，咱们能够写出正确的代码：

int minInsertions(string s) {
    int res = 0, need = 0;

    for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
        if (s[i] == '(') {
            need += 2;
            if (need % 2 == 1) {
                res++;
                need--;
            }
        }

        if (s[i] == ')') {
            need--;
            if (need == -1) {
                res++;
                need = 1;
            }
        }
    }

    return res + need;
}

综上，三道括号相关的问题就解决了，其实咱们前文 合法括号生成算法 也是括号相关的问题，可是使用的回溯算法技巧，和本文的几道题差异仍是蛮大的，有兴趣的读者能够去看看。