Java 算法高效解法中怎么用单调栈解决柱状图中最大的矩形问题

雨晨酱_4720

雨晨酱_4720

2026-07-30

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单调栈是解决“柱状图中最大矩形”最高效方法,时间复杂度o(n),通过单栈一次遍历找到每个柱子左右首个更矮柱子位置,从而确定以该柱为高的最大矩形宽度与面积。

java 算法高效解法中怎么用单调栈解决柱状图中最大的矩形问题

单调栈是解决“柱状图中最大矩形”(LeetCode 84)最经典且高效的解法,时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(n),远优于暴力 O(n²)。核心在于:对每个柱子,快速定位它能向左、向右扩展的最远边界——即左右第一个比它矮的柱子位置,从而确定以该柱为高的最大矩形宽度。

关键逻辑:每个柱子的“有效宽度”由最近的更矮邻居决定

以高度 heights[i] 为矩形高时,矩形不能越过任何比它矮的柱子。因此:

  • 左边界 = 左侧第一个 heights[j] 的索引 j(若无,则为 -1)
  • 右边界 = 右侧第一个 heights[k] 的索引 k(若无,则为 n)
  • 宽度 = k − j − 1
  • 面积 = heights[i] × (k − j − 1)

单调栈的作用,就是用一次遍历,同时为所有 i 找到这两个边界。

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单栈一次遍历写法(推荐,代码简洁)

只用一个单调递增栈(栈底→栈顶高度递增),在遍历中边入栈边结算。技巧是:在原数组末尾补一个 0,强制清空栈中所有剩余元素。

  • 遍历下标 i 从 0 到 n(含虚拟末尾)
  • 当前高度 h = (i == n) ? 0 : heights[i]
  • 只要栈非空且 heights[stack.peek()] > h,就弹出栈顶 idx
  • 弹出后,h_idx = heights[idx] 的右边界就是 i,左边界是栈新栈顶(若空则为 -1)
  • 宽度 = i − (stack.isEmpty() ? -1 : stack.peek()) − 1
  • 更新最大面积

双栈/双数组预处理写法(思路更直观)

先分别用单调栈算出 left[i] 和 right[i] 数组:

  • left[i]:i 左侧第一个比 heights[i] 小的元素下标,初始全填 -1
  • right[i]:i 右侧第一个比 heights[i] 小的元素下标,初始全填 n
  • 正向遍历填 left:维护单调递增栈,遇到更小元素时,弹出并设其 right = 当前 i
  • 反向遍历填 right:同理,维护单调递增栈(方向相反),弹出时设其 left = 当前 i
  • 最后遍历 i,按 width = right[i] − left[i] − 1 计算面积

为什么单调栈能保证 O(n)?

每个下标最多入栈 1 次、出栈 1 次,总共 2n 次操作。看似嵌套 while 循环,但摊还分析下,内层循环总执行次数是线性的。本质是“延迟结算”+“即时释放”:栈里存的是还没找到右边界的所有候选,一旦遇到更小值,就立刻结算那些被挡住的柱子,不再回头重复查。

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