LeetCode 第362题：敲击计数器

📖 文章摘要

本文详细解析LeetCode第362题“敲击计数器”，这是一道设计题。文章提供了基于队列和数组的两种解法，包含C#、Python、C++三种语言实现，配有详细的算法分析和性能对比。适合想要提升设计类问题解决能力的读者。

核心知识点： 设计模式、数据结构、时间窗口 难度等级： 中等 推荐人群： 具有一定算法基础，想要提升设计类问题解决能力的程序员

题目描述

设计一个敲击计数器，使它可以统计在过去5分钟内被敲击的次数。

你的系统应该接受一个时间戳参数（以秒为单位），并且你可以假设对系统的调用是按时间顺序进行的（即时间戳是单调递增的）。你可能在同一个时间戳内收到多个敲击请求。

实现 HitCounter 类：

• HitCounter() 初始化敲击计数器系统。
• void hit(int timestamp) 记录在给定时间戳的敲击。
• int getHits(int timestamp) 返回过去5分钟（即300秒）内的敲击次数。

示例

示例 1：

输入：
["HitCounter", "hit", "hit", "hit", "getHits", "hit", "getHits", "getHits"]
[[], [1], [2], [3], [4], [300], [300], [301]]
输出：
[null, null, null, null, 3, null, 4, 3]
解释：
HitCounter hitCounter = new HitCounter();
hitCounter.hit(1);       // 在时间戳1处记录一次敲击
hitCounter.hit(2);       // 在时间戳2处记录一次敲击
hitCounter.hit(3);       // 在时间戳3处记录一次敲击
hitCounter.getHits(4);   // 在时间戳4处统计过去5分钟内的敲击次数，返回3
hitCounter.hit(300);     // 在时间戳300处记录一次敲击
hitCounter.getHits(300); // 在时间戳300处统计过去5分钟内的敲击次数，返回4
hitCounter.getHits(301); // 在时间戳301处统计过去5分钟内的敲击次数，返回3

提示

• 1 <= timestamp <= 2 * 10^9
• 所有对系统的调用都是按时间顺序进行的
• 最多调用 hit 和 getHits 方法 300 次

解题思路

本题可以使用两种方法解决：

1. 队列方法：

   • 使用队列存储所有敲击时间戳
   • 获取统计时，移除过期的时间戳
   • 返回队列大小作为结果

2. 数组方法：

   • 使用两个数组分别存储时间戳和计数
   • 使用取模运算循环使用数组空间
   • 统计时遍历数组累加有效计数

时间复杂度：

• 队列方法：hit O(1), getHits O(n)
• 数组方法：hit O(1), getHits O(1)

空间复杂度：

• 队列方法：O(n)
• 数组方法：O(1)

图解思路

队列方法流程

操作	队列状态	说明
hit(1)	[1]	添加时间戳1
hit(2)	[1,2]	添加时间戳2
hit(3)	[1,2,3]	添加时间戳3
getHits(4)	[1,2,3]	返回3
hit(300)	[1,2,3,300]	添加时间戳300
getHits(300)	[1,2,3,300]	返回4
getHits(301)	[2,3,300]	移除1，返回3

数组方法状态

索引	时间戳	计数	说明
0	1	1	时间戳1的计数
1	2	1	时间戳2的计数
2	3	1	时间戳3的计数
3	300	1	时间戳300的计数

代码实现

C# 实现

// 队列方法
public class HitCounter {
    private Queue<int> queue;
    
    public HitCounter() {
        queue = new Queue<int>();
    }
    
    public void Hit(int timestamp) {
        queue.Enqueue(timestamp);
    }
    
    public int GetHits(int timestamp) {
        while (queue.Count > 0 && queue.Peek() <= timestamp - 300) {
            queue.Dequeue();
        }
        return queue.Count;
    }
}

// 数组方法
public class HitCounter {
    private int[] times;
    private int[] hits;
    
    public HitCounter() {
        times = new int[300];
        hits = new int[300];
    }
    
    public void Hit(int timestamp) {
        int index = timestamp % 300;
        if (times[index] != timestamp) {
            times[index] = timestamp;
            hits[index] = 1;
        } else {
            hits[index]++;
        }
    }
    
    public int GetHits(int timestamp) {
        int total = 0;
        for (int i = 0; i < 300; i++) {
            if (timestamp - times[i] < 300) {
                total += hits[i];
            }
        }
        return total;
    }
}

Python 实现

# 队列方法
from collections import deque

class HitCounter:
    def __init__(self):
        self.queue = deque()
    
    def hit(self, timestamp: int) -> None:
        self.queue.append(timestamp)
    
    def getHits(self, timestamp: int) -> int:
        while self.queue and self.queue[0] <= timestamp - 300:
            self.queue.popleft()
        return len(self.queue)

# 数组方法
class HitCounter:
    def __init__(self):
        self.times = [0] * 300
        self.hits = [0] * 300
    
    def hit(self, timestamp: int) -> None:
        index = timestamp % 300
        if self.times[index] != timestamp:
            self.times[index] = timestamp
            self.hits[index] = 1
        else:
            self.hits[index] += 1
    
    def getHits(self, timestamp: int) -> int:
        total = 0
        for i in range(300):
            if timestamp - self.times[i] < 300:
                total += self.hits[i]
        return total

C++ 实现

// 队列方法
class HitCounter {
private:
    queue<int> q;
    
public:
    HitCounter() {}
    
    void hit(int timestamp) {
        q.push(timestamp);
    }
    
    int getHits(int timestamp) {
        while (!q.empty() && q.front() <= timestamp - 300) {
            q.pop();
        }
        return q.size();
    }
};

// 数组方法
class HitCounter {
private:
    vector<int> times;
    vector<int> hits;
    
public:
    HitCounter() : times(300, 0), hits(300, 0) {}
    
    void hit(int timestamp) {
        int index = timestamp % 300;
        if (times[index] != timestamp) {
            times[index] = timestamp;
            hits[index] = 1;
        } else {
            hits[index]++;
        }
    }
    
    int getHits(int timestamp) {
        int total = 0;
        for (int i = 0; i < 300; i++) {
            if (timestamp - times[i] < 300) {
                total += hits[i];
            }
        }
        return total;
    }
};

执行结果

C# 实现

• 队列方法：
  • 执行用时：156 ms
  • 内存消耗：45.2 MB
• 数组方法：
  • 执行用时：132 ms
  • 内存消耗：32.4 MB

Python 实现

• 队列方法：
  • 执行用时：32 ms
  • 内存消耗：16.4 MB
• 数组方法：
  • 执行用时：28 ms
  • 内存消耗：14.2 MB

C++ 实现

• 队列方法：
  • 执行用时：0 ms
  • 内存消耗：7.2 MB
• 数组方法：
  • 执行用时：0 ms
  • 内存消耗：6.8 MB

性能对比

方法	语言	执行用时	内存消耗	特点
队列	C++	0 ms	7.2 MB	实现简单，空间效率低
数组	C++	0 ms	6.8 MB	实现复杂，空间效率高
队列	Python	32 ms	16.4 MB	代码简洁，内存占用大
数组	Python	28 ms	14.2 MB	代码复杂，内存占用小
队列	C#	156 ms	45.2 MB	类型安全，内存占用大
数组	C#	132 ms	32.4 MB	类型安全，内存占用小

代码亮点

1. 🎯 提供两种不同实现方法
2. 💡 数组方法使用取模运算优化空间
3. 🔍 处理时间窗口边界情况
4. 🎨 代码结构清晰，易于维护

常见错误分析

1. 🚫 未处理时间戳过期的情况
2. 🚫 数组方法未正确更新计数
3. 🚫 队列方法内存占用过大
4. 🚫 时间窗口计算错误

解法对比

解法	时间复杂度	空间复杂度	优点	缺点
队列方法	hit: O(1), getHits: O(n)	O(n)	实现简单，易于理解	空间效率低
数组方法	hit: O(1), getHits: O(1)	O(1)	空间效率高，查询快	实现复杂

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