【力扣】Z 字形变换，模拟 + 直接构造-编程知识

Z 字形变换原题地址

方法一：利用二维矩阵模拟

对于特殊情况，Z 字形变换后只有一行或只有一列，则变换后的字符串和原字符串相同。

对于一般情况，我们可以考虑按照题目要求，把字符串按照 Z 字形存储到二维数组中，再横向遍历所有有效字符。

假设 Z 字形变换后的矩阵有 r 行，原字符串的长度为 n 。

Z 字形变换是按照周期 t 先向下，再向右上运动。一个周期 t=r+(r-2)=r*2-2 。

其中 r-2 不包含两个红圈的位置。一个周期 t 内的行数为 r 行，列数为 1+(r-2)=r-1 列，即最左边的一列以及中间的 r-2 列。矩阵的周期数为 $\left \lceil \frac{n}{t} \right \rceil$ ，即 (n+t-1)/t ，加上的 t-1 是为了向上取整。矩阵的总列数为周期数 * 每个周期的列数，即 c=(n+t-1)/t*(r-1) 。

那么，什么时候向下走，什么时候向右上方走呢？这要看当前处在周期的什么位置。假设当前遍历到下标为 i 的字符，如果 imodt<r-1 ，即当前处在周期的前 r-1 个位置，就需要向下走，否则就要向右上方走。

// 方法一：利用二维矩阵模拟
class Solution
{
public:string convert(string s, int numRows){int n = s.size();int r = numRows; // 行数// 只有一行或者只有一列if (r == 1 || r >= n){return s;}// 周期 t=r+r-2int t = r * 2 - 2;// 一共有 (n/t) 向上取整 个周期// 即 (n+t-1)/t 个周期// 每个周期有 1+r-2=r-1 列int c = (n + t - 1) / t * (r - 1); // 列数// 构造矩阵，即 r 个 string 的数组，每个 string 的长度为 cvector<string> mat(r, string(c, 0));int x = 0, y = 0; // 左上角for (int i = 0; i < n; ++i){mat[x][y] = s[i];// 周期前 r-1 次都是向下移动// 否则向右上方移动if (i % t < r - 1){++x;}else{--x;++y;}}string ans;// 拼接每行有效字符for (auto& row : mat){for (auto ch : row){if (ch){ans += ch;}}}return ans;}
};

方法二：压缩矩阵空间

模拟时，可以不按照 Z 字形存储到矩阵中，而是根据当前字符在第几行，就存储在该行的最后一个位置，即尾插到当前行。这样的话可以节省矩阵的空间。

如果采用这种方案，就只需要考虑是向下走还是向上走。按照相同的思路，当 imodt<r-1 ，即当前周期的前 r-1 个字符，需要向下走，反之就向上走。

// 方法二：压缩矩阵空间
class Solution
{
public:string convert(string s, int numRows){int n = s.size();int r = numRows; // 行数// 只有一行或只有一列if (r == 1 || r >= n){return s;}vector<string> mat(r);// 周期 t=r+r-2int t = r * 2 - 2;int x = 0; // 在第几个 string 后面添加字符for (int i = 0; i < n; ++i){mat[x] += s[i];// 每个周期前 r-1 次向下移动if (i % t < r - 1){++x;}else{--x;}}string ans;// 拼接所有行for (auto& row : mat){ans += row;}return ans;}
};

方法三：方法二的另一种写法

在考虑是向下走还是向上走时，可以不用计算在当前周期的第几个位置，而是直接判断当前所处位置是否在最上面还是最下面。也就是说，如果当前在第 x 行，若 x==1 或者 x==r-1 ，说明要转向，本来是向下走就要转为向上走，本来是向上走就要转为向下走。

我们可以定义一个 flag ，如果 flag=1 代表向下走， flag=-1 代表向上走，每次只需要 x+=flag 就能求出新的所在行 x 了。如果要转向，只需执行 flag=-flag 。

// 方法三：方法二的另一种写法，利用 flag 记录何时转向
class Solution
{
public:string convert(string s, int numRows){int n = s.size();int r = numRows; // 行数// 只有一行或只有一列if (r == 1 || r >= n){return s;}vector<string> mat(r);int x = 0; // 在第几个 string 后面添加字符int flag = 1; // 行转向标志， 1 代表向下走， -1 代表向上走for (int i = 0; i < n; ++i){mat[x] += s[i];x += flag;// 转向if (x == r - 1 || x == 0){flag = -flag;}}string ans;// 拼接所有行for (auto& row : mat){ans += row;}return ans;}
};

方法四：直接构造

前三种方法都需要构造一个新的矩阵来模拟，我们可以考虑直接构造，也就是直接取出原字符串的字符来构造 ans 字符串。这就需要找出 Z 字形变换的规律，看图：

按照“Z字形”的顺序来看，就是 0->1->2->3->...->t-2->t-1->t->t+1->t+2->...->2t-2->2t-1->2t->2t+1->2t+2->...

如果我们横着看呢？我们用i来控制行， i 从 0 递增到 r-1 。再用 j 控制列， j 从 0 开始，每次递增 t ，也就是 0,t,2t,3t,... 。那么下图中，每个周期都是线 + 方框，线是 i+j ，框柱的是 j+t-i 。

对于每一行，都有线，但是第 0 行和第 r-1 行没有方框内的元素，利用这点直接构造字符串即可。

// 方法四：直接构造
class Solution
{
public:string convert(string s, int numRows){int n = s.size();int r = numRows; // 行数// 只有一行或只有一列if (r == 1 || r >= n){return s;}string ans;// 周期 t=r+r-2int t = r * 2 - 2;for (int i = 0; i < r; ++i){for (int j = 0; j + i < n; j += t){// 当前周期第一个字符ans += s[j + i];// 若不是第一行和最后一行，还有第二个字符if (0 < i && i < r - 1 && j + t - i < n){ans += s[j + t - i];}}}return ans;}
};