突破编程_C++_字符串算法（找到字符串中第一个不重复的字符）

1 算法题：找到字符串中第一个不重复的字符

1.1 题目含义

给定一个字符串（字符串中只包含小写字母，且长度不超过1000），找到它的第一个只出现一次的字符，并返回它的索引。如果不存在，则返回-1。

这个题目要求在给定的字符串中，找到第一个只出现一次的字符。这意味着需要遍历整个字符串，记录每个字符出现的次数，然后再次遍历字符串，找到第一个出现次数为 1 的字符，并返回它的索引。如果字符串中没有只出现一次的字符，那么返回 -1。

1.2 示例

示例 1:
输入： “abcabcbb”
输出： 2
解释： ‘c’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 2。

示例 2:
输入： “bbbfbbff”
输出： -1
解释：字符串中没有只出现一次的字符，因此返回 -1。

示例 3:
输入： “abcd”
输出： 0
解释： ‘a’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 0。

2 解题思路

解题思路如下：

可以采用 C++ 的 STL 容器来辅助解决问题。考虑到字符串中只包含小写字母，并且需要快速判断某个字符是否只出现了一次，因此可以使用 std::unordered_map（哈希表）来记录每个字符及其出现的次数。

（1）初始化哈希表： 首先，创建一个 std::unordered_map<char, int>，其中键是字符，值是字符出现的次数。初始时，所有字符的出现次数都设为 0。

（2）遍历字符串并记录次数： 然后，遍历输入的字符串。对于字符串中的每个字符，我们在哈希表中增加其对应的次数。如果字符已存在于哈希表中，则将其次数加 1；如果字符不存在，则在哈希表中插入该字符，并将其次数设为1。

（3）再次遍历字符串找只出现一次的字符： 接下来，再次遍历字符串。对于每个字符，检查它在哈希表中的次数。如果次数为 1，说明这个字符只出现了一次，则返回它的索引。

（4）处理不存在只出现一次字符的情况： 如果遍历完整个字符串都没有找到只出现一次的字符，则说明不存在这样的字符，则返回 -1。

这种方法的时间复杂度是 O(n)，其中 n 是字符串的长度，因为需要遍历两次字符串。空间复杂度是 O(1)，因为字符集是固定的（只有小写字母），所以哈希表的大小是固定的，不随输入规模的增大而增大。然而，严格来说，由于使用了哈希表，空间复杂度实际上是 O(k)，其中 k 是字符集的大小（在这里是 26），但由于 k 是一个常数，通常还是将其视为O(1)。

这种解题思路利用了哈希表快速查找和更新的特性，使得算法能够在一次遍历中统计字符出现次数，并在另一次遍历中找到只出现一次的字符。虽然需要遍历两次字符串，但由于哈希表的操作非常高效，因此整体效率仍然很高。

3 算法实现代码

3.1 使用哈希表

如下为算法实现代码：

#include <iostream>  
#include <string>  
#include <unordered_map>  

class Solution
{
public:
	int firstUniqChar(const std::string& s)
	{
		// 初始化哈希表，用于记录每个字符出现的次数  
		std::unordered_map<char, int> charCount;

		// 第一次遍历字符串，统计字符出现次数  
		for (char c : s) {
			if (c >= 'a' && c <= 'z') {
				charCount[c]++;
			}
		}

		// 第二次遍历字符串，查找只出现一次的字符  
		for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
			char c = s[i];
			if (c >= 'a' && c <= 'z' && charCount[c] == 1) {
				// 找到第一个只出现一次的字符，返回其索引  
				return i;
			}
		}

		// 没有找到只出现一次的字符，返回-1  
		return -1;
	}
};

在上面代码中，首先定义了一个 firstUniqChar 函数，它接受一个字符串 s 作为参数，并返回第一个只出现一次的字符的索引。然后使用 std::unordered_map<char, int> 来存储每个字符及其出现的次数。第一次遍历字符串 s，将每个字符的出现次数记录在 charCount 中。然后，在第二次遍历中，检查每个字符的出现次数，如果某个字符只出现了一次，就返回它的索引。如果遍历完整个字符串都没有找到只出现一次的字符，则返回-1。

调用上面的算法，并得到输出：

int main() 
{
	Solution s;

	// 示例测试  
	std::string str1 = "abcabcbb";
	std::cout << "First unique character in \"" << str1 << "\" is at index: " << s.firstUniqChar(str1) << std::endl;

	std::string str2 = "bbbfbbff";
	std::cout << "First unique character in \"" << str2 << "\" is at index: " << s.firstUniqChar(str2) << std::endl;

	std::string str3 = "abcd";
	std::cout << "First unique character in \"" << str3 << "\" is at index: " << s.firstUniqChar(str3) << std::endl;

	return 0;
}

上面代码的输出为：

First unique character in "abcabcbb" is at index: -1
First unique character in "bbbfbbff" is at index: -1
First unique character in "abcd" is at index: 0

3.2 使用数组

如下为算法实现代码：

#include <iostream>  
#include <string>  
#include <vector>  

class Solution
{
public:
	int firstUniqChar(const std::string& s)
	{
		// 初始化一个大小为26的数组，用于记录每个字母出现的次数  
		std::vector<int> charCount(26, 0);

		// 遍历字符串，统计每个字母出现的次数  
		for (char c : s) {
			if (c >= 'a' && c <= 'z') {
				charCount[c - 'a']++; // 将字符转换为数组下标  
			}
		}

		// 再次遍历字符串，查找只出现一次的字符  
		for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
			char c = s[i];
			if (c >= 'a' && c <= 'z' && charCount[c - 'a'] == 1) {
				charCount[c - 'a']++; // 将字符转换为数组下标  
				return i; // 返回字符的索引  
			}
		}

		// 没有找到只出现一次的字符  
		return -1;
	}
};

在这个实现中，使用了一个大小为 26 的 std::vector<int>数组 charCount，其中每个元素初始化为 0。由于小写字母的 ASCII 码是连续的，所以可以通过字符 ‘a’ 的 ASCII 码值将字符映射到数组的相应位置。

第一次遍历字符串时，增加 charCount 数组中对应字符出现次数的值。第二次遍历字符串时，检查每个字符在 charCount 数组中的值是否为 1，如果是，则返回该字符的索引。如果遍历完整个字符串都没有找到只出现一次的字符，则返回 -1。

这种方法的空间复杂度是 O(1)，因为数组的大小是固定的，不随输入字符串的长度而变化。时间复杂度仍然是 O(n)，其中 n 是字符串的长度，这是因为需要遍历字符串两次。这种实现方法比使用哈希表更节省空间，但牺牲了哈希表带来的灵活性（例如，不能处理非小写字母字符）。

4 测试用例

以下是针对上面算法的测试用例，基本覆盖了各种情况：

（1）基础测试用例
输入：s = “abcabcbb”
输出：2
说明：字符 ‘c’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 2。

（2）无只出现一次字符的测试用例
输入：s = “bbbfbbff”
输出：-1
说明：字符串中没有只出现一次的字符，因此返回 -1。

（3）第一个字符即为只出现一次的字符
输入：s = “abcd”
输出：0
说明：字符 ‘a’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 0。

（4）只出现一次的字符在字符串末尾
输入：s = “zzxyzz”
输出：3
说明：字符 ‘x’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 3。

（5）只出现一次的字符在字符串中间
输入：s = “aabaac”
输出：4
说明：字符 ‘c’ 在原字符串中只出现一次，并且其位于索引 4。

（6）包含多个只出现一次的字符，但返回第一个
输入：s = “aabbcde”
输出：3
说明：尽管 ‘c’ 和 ‘d’ 也只出现一次，但 ‘b’ 是第一个只出现一次的字符，因此返回索引 3。

（7）字符串长度为1的测试用例
输入：s = “a”
输出：0
说明：当字符串只包含一个字符时，该字符自然只出现一次，返回索引 0。

（8）字符串为空的情况
输入：s = “”
输出：-1
说明：空字符串中没有字符，因此返回 -1。

（9）大小写混合的测试用例（注意：题目中说明只包含小写字母，但这里为了测试算法的健壮性，仍然给出此用例）
输入：s = “AaBbCc”
输出：-1
说明：尽管每个字符在字符串中只出现一次，但题目要求只考虑小写字母，因此返回 -1。

（10）包含特殊字符的测试用例（注意：题目中说明只包含小写字母，但这里为了测试算法的健壮性，仍然给出此用例）
输入：s = “abc!@#”
输出：-1
说明：字符串中包含非小写字母的字符，因此返回 -1。