面试题:Java 实现查找旋转数组的最小数字

在算法面试中，面试官总是喜欢围绕链表、排序、二叉树、二分查找来做文章，而大多数人都可以跟着专业的书籍来做到倒背如流。而面试官并不希望招收的是一位记忆功底很好，但不会活学活用的程序员。所以学会数学建模和分析问题，并用合理的算法或数据结构来解决问题相当重要。

面试题：打印出旋转数组的最小数字

题目：把一个数组最开始的若干个元素搬到数组的末尾，我们称之为数组的旋转。输入一个递增排序的数组的一个旋转，输出旋转数组的最小元素。例如数组 {3，4，5，1，2} 为数组 {1，2，3，4，5} 的一个旋转，该数组的最小值为 1。

要想实现这个需求很简单，我们只需要遍历一遍数组，找到最小的值后直接退出循环。代码实现如下：

public class Test08 {

public static int getTheMin(int nums[]) {
   if (nums == null || nums.length == 0) {
     throw new RuntimeException("input error!");
   }
   int result = nums[0];
   for (int i = 0; i < nums.length - 1; i++) {
     if (nums[i + 1] < nums[i]) {
       result = nums[i + 1];
       break;
     }
   }
   return result;
 }

public static void main(String[] args) {
   // 典型输入，单调升序的数组的一个旋转
   int[] array1 = {3, 4, 5, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array1));

// 有重复数字，并且重复的数字刚好的最小的数字
   int[] array2 = {3, 4, 5, 1, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array2));

// 有重复数字，但重复的数字不是第一个数字和最后一个数字
   int[] array3 = {3, 4, 5, 1, 2, 2};
   System.out.println(getTheMin(array3));

// 有重复的数字，并且重复的数字刚好是第一个数字和最后一个数字
   int[] array4 = {1, 0, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array4));

// 单调升序数组，旋转0个元素，也就是单调升序数组本身
   int[] array5 = {1, 2, 3, 4, 5};
   System.out.println(getTheMin(array5));

// 数组中只有一个数字
   int[] array6 = {2};
   System.out.println(getTheMin(array6));

// 数组中数字都相同
   int[] array7 = {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array7));
 }
}

打印结果没什么毛病。不过这样的方法显然不是最优的，我们看看有没有办法找出更加优质的方法处理。

有序，还要查找？

找到这两个关键字，我们不免会想到我们的二分查找法，但不少小伙伴肯定会问，我们这个数组旋转后已经不是一个真正的有序数组了，不过倒像是两个递增的数组组合而成的，我们可以这样思考。

我们可以设定两个下标 low 和 high，并设定 mid = (low + high)/2，我们自然就可以找到数组中间的元素 array[mid]，如果中间的元素位于前面的递增数组，那么它应该大于或者等于 low 下标对应的元素，此时数组中最小的元素应该位于该元素的后面，我们可以把 low 下标指向该中间元素，这样可以缩小查找的范围。

同样，如果中间元素位于后面的递增子数组，那么它应该小于或者等于 high 下标对应的元素。此时该数组中最小的元素应该位于该中间元素的前面。我们就可以把 high 下标更新到中位数的下标，这样也可以缩小查找的范围，移动之后的 high 下标对应的元素仍然在后面的递增子数组中。

不管是更新 low 还是 high，我们的查找范围都会缩小为原来的一半，接下来我们再用更新的下标去重复新一轮的查找。直到最后两个下标相邻，也就是我们的循环结束条件。

说了一堆，似乎已经绕的云里雾里了，我们不妨就拿题干中的这个输入来模拟验证一下我们的算法。

1. input：{3，4，5，1，2}

2. 此时 low = 0，high = 4，mid = 2，对应的值分别是：num[low] = 3，num[high] = 2，num[mid] = 5

3. 由于 num[mid] > num[low]，所以 num[mid] 应该是在左边的递增子数组中。

4. 更新 low = mid = 2，num[low] = 5，mid = (low+high)/2 = 3，num[mid] = 1;

5. high - low ≠ 1 ，继续更新

6. 由于 num[mid] < num[high]，所以断定 num[mid] = 1 位于右边的自增子数组中；

7. 更新 high = mid = 3，由于 high - mid = 1,所以结束循环，得到最小值 num[high] = 1;

我们再来看看 Java 中如何用代码实现这个思路：

public class Test08 {

public static int getTheMin(int nums[]) {
   if (nums == null || nums.length == 0) {
     throw new RuntimeException("input error!");
   }
   // 如果只有一个元素，直接返回
   if (nums.length == 1)
     return nums[0];
   int result = nums[0];
   int low = 0, high = nums.length - 1;
   int mid;
   // 确保 low 下标对应的值在左边的递增子数组，high 对应的值在右边递增子数组
   while (nums[low] >= nums[high]) {
     // 确保循环结束条件
     if (high - low == 1) {
       return nums[high];
     }
     // 取中间位置
     mid = (low + high) / 2;
     // 代表中间元素在左边递增子数组
     if (nums[mid] >= nums[low]) {
       low = mid;
     } else {
       high = mid;
     }
   }
   return result;
 }

public static void main(String[] args) {
   // 典型输入，单调升序的数组的一个旋转
   int[] array1 = {3, 4, 5, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array1));

// 有重复数字，并且重复的数字刚好的最小的数字
   int[] array2 = {3, 4, 5, 1, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array2));

// 有重复数字，但重复的数字不是第一个数字和最后一个数字
   int[] array3 = {3, 4, 5, 1, 2, 2};
   System.out.println(getTheMin(array3));

// 有重复的数字，并且重复的数字刚好是第一个数字和最后一个数字
   int[] array4 = {1, 0, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array4));

// 单调升序数组，旋转0个元素，也就是单调升序数组本身
   int[] array5 = {1, 2, 3, 4, 5};
   System.out.println(getTheMin(array5));

// 数组中只有一个数字
   int[] array6 = {2};
   System.out.println(getTheMin(array6));

// 数组中数字都相同
   int[] array7 = {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array7));

// 特殊的不知道如何移动
   int[] array8 = {1, 0, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array8));
 }
}

前面我们提到在旋转数组中，由于是把递增排序数组的前面的若干个数字搬到数组后面，因为第一个数字总是大于或者等于最后一个数字，而还有一种特殊情况是移动了 0 个元素，即数组本身，也是它自己的旋转数组。这种情况本身数组就是有序的了，所以我们只需要返回第一个元素就好了，这也是为什么我先给 result 赋值为 nums[0] 的原因。

上述代码就完美了吗？我们通过测试用例并没有达到我们的要求，我们具体看看 array8 这个输入。先模拟计算机运行分析一下：

1. low = 0, high = 4, mid = 2, nums[low] = 1, nums[high] = 1,nums[mid] = 1;

2. 由于 nums[mid] >= nums[low]，故认定 nums[mid] = 1 在左边递增子数组中；

3. 所以更新 high = mid = 2,mid = (low+high)/2 = 1;

4. nums[low] = 1,nums[mid] = 1,nums[high] = 1;

5. high - low ≠ 1，继续循环；

6. 由于 nums[mid] >= nums[low]，故认定 nums[mid] = 1 在左边递增子数组中；

7. 所以更新 high = mid = 1,由于 high - low = 1,故退出循环，得到 result = 1；

但我们一眼了然，明显我们的最小值不是 1 ，而是 0 ，所以当 array[low]、array[mid]、array[high] 相等的时候，我们的程序并不知道应该如何移动，按照目前的移动方式就默认 array[mid] 在左边递增子数组了，这显然是不负责任的做法。

我们修正一下代码：

public class Test08 {

public static int getTheMin(int nums[]) {
   if (nums == null || nums.length == 0) {
     throw new RuntimeException("input error!");
   }
   // 如果只有一个元素，直接返回
   if (nums.length == 1)
     return nums[0];
   int result = nums[0];
   int low = 0, high = nums.length - 1;
   int mid = low;
   // 确保 low 下标对应的值在左边的递增子数组，high 对应的值在右边递增子数组
   while (nums[low] >= nums[high]) {
     // 确保循环结束条件
     if (high - low == 1) {
       return nums[high];
     }
     // 取中间位置
     mid = (low + high) / 2;
     // 三值相等的特殊情况，则需要从头到尾查找最小的值
     if (nums[mid] == nums[low] && nums[mid] == nums[high]) {
       return midInorder(nums, low, high);
     }
     // 代表中间元素在左边递增子数组
     if (nums[mid] >= nums[low]) {
       low = mid;
     } else {
       high = mid;
     }
   }
   return result;
 }

/**
  * 查找数组中的最小值
  *
  * @param nums 数组
  * @param start 数组开始位置
  * @param end  数组结束位置
  * @return 找到的最小的数字
  */
 public static int midInorder(int[] nums, int start, int end) {
   int result = nums[start];
   for (int i = start + 1; i <= end; i++) {
     if (result > nums[i])
       result = nums[i];
   }
   return result;
 }

public static void main(String[] args) {
   // 典型输入，单调升序的数组的一个旋转
   int[] array1 = {3, 4, 5, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array1));

// 有重复数字，并且重复的数字刚好的最小的数字
   int[] array2 = {3, 4, 5, 1, 1, 2};
   System.out.println(getTheMin(array2));

// 有重复数字，但重复的数字不是第一个数字和最后一个数字
   int[] array3 = {3, 4, 5, 1, 2, 2};
   System.out.println(getTheMin(array3));

// 有重复的数字，并且重复的数字刚好是第一个数字和最后一个数字
   int[] array4 = {1, 0, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array4));

// 单调升序数组，旋转0个元素，也就是单调升序数组本身
   int[] array5 = {1, 2, 3, 4, 5};
   System.out.println(getTheMin(array5));

// 数组中只有一个数字
   int[] array6 = {2};
   System.out.println(getTheMin(array6));

// 数组中数字都相同
   int[] array7 = {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array7));

// 特殊的不知道如何移动
   int[] array8 = {1, 0, 1, 1, 1};
   System.out.println(getTheMin(array8));

}
}

我们再用完善的测试用例放进去，测试通过。

总结

本题其实考察的点挺多的，实际上就是考察对二分查找的灵活运用，不少小伙伴死记硬背二分查找必须遵从有序，而没有学会这个二分查找的思想，这样会导致只能想到循环查找最小值了。

不少小伙伴在面试中表态，Android 原生态基本都封装了常用算法，对面试这些无作用的算法表示抗议，其实这是相当愚蠢的。我们不求死记硬背算法的实现，但求学习到其中巧妙的思想。只有不断地提升自己的思维能力，才能助自己收获更好的职业发展。

来源：https://www.jianshu.com/p/06f6fd4b9d4d