C++怎么找出直方图中最大的矩形面积

梦芳姑娘_8821

梦芳姑娘_8821

2026-11-03

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原创

暴力双重循环不可行,因其时间复杂度为O(n²),当n=10⁵时操作量达10¹⁰,必然超时;根本矛盾在于每次扩展右边界都重复计算区间最小值,而单调栈可复用信息,以O(n)线性时间求得每个柱子的左右最近更小下标并完成面积计算。

c++怎么找出直方图中最大的矩形面积

为什么不能用暴力双重循环

暴力法是枚举每个位置作为矩形左边界,再向右扩展找最小高度,时间复杂度 O(n²)。当 n 达到 10⁵ 时会超时——这不是写法问题,是算法模型本身不可行。

关键矛盾在于:每次向右扩展都要重新扫一遍区间最小值,而这个信息其实可以复用。

单调栈怎么维护“左侧第一个更小”

核心思路是:对每个柱子 heights[i],快速知道它能向左/右延展多远,直到遇到比它矮的柱子。这等价于求每个下标对应的「左侧最近更小元素下标」和「右侧最近更小元素下标」。

单调递增栈恰好能在线性时间内完成前者:

  • 栈中存下标,保证对应高度严格递增
  • 当 heights[i] 小于栈顶对应高度时,栈顶出栈,此时 i 就是该栈顶元素的「右侧第一个更小」位置
  • 出栈后,新栈顶(若存在)就是它的「左侧第一个更小」位置;若栈空,则左侧可延伸至 -1

示例:heights = [2,1,5,6,2,3],处理到 i=1(值为 1)时,栈里有 [0],heights[0]=2 > 1,于是弹出 0,此时左边界是 -1,右边界是 1,宽度 = 1 - (-1) - 1 = 1,面积 = 2 * 1 = 2。

边界处理和哨兵技巧

手动处理边界(如栈空时左边界设为 -1、遍历完后清空栈算右边界为 n)容易漏 case。更稳妥的做法是在原数组两端加哨兵:

C++14
C++14

C++14 对 C++11 的修正与增强版本,适合旧系统维护和较老工具链兼容。

下载
  • 在 heights 前后各插入一个 0,变成 [0] + heights + [0]
  • 这样所有原始柱子都一定被弹出过一次,且左右边界自然由两个 0 拦住
  • 注意遍历时下标要偏移,计算宽度时用 right - left - 1,其中 left 和 right 是实际下标

代码片段(关键逻辑):

vector<int> h = {0};
h.insert(h.end(), heights.begin(), heights.end());
h.push_back(0);
stack<int> st;
int maxArea = 0;
for (int i = 0; i  h[i]) {
        int idx = st.top(); st.pop();
        int w = i - st.top() - 1; // st.top() 此时是左边第一个更小的下标
        maxArea = max(maxArea, h[idx] * w);
    }
    st.push(i);
}
</int></int>

为什么必须用栈而不是双指针或 DP

双指针无法避免回溯:想确定某个位置的右边界,可能得往回跳多次;DP 需要维护每个位置的左右延伸长度,但更新依赖邻接关系,而高度变化不连续,没法用 dp[i] = dp[i-1] + 1 这类简单转移。

单调栈本质是把“等待被更高柱子覆盖”的候选者暂存起来,一旦出现破坏单调性的元素,就批量结算——这是唯一能将每个元素最多入栈出栈一次的结构。

最容易忽略的是:栈中保存的是下标而非高度值;还有清空栈前要确保数组末尾有哨兵,否则最后几个递增柱子永远得不到结算机会。

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