摘要

在分布式系统中，数据的序列化与反序列化是常见的需求，尤其是在网络传输、数据存储等场景中。LeetCode 第 271 题“字符串的编码与解码”要求我们设计一种方法，将字符串数组编码为单个字符串，并能准确地解码回原始数组。本文将详细解析该问题，提供 Swift 语言的解决方案，并结合实际应用场景进行探讨。

描述

题目描述：

设计一种方法，将字符串数组编码为单个字符串，以便在网络上传输。接收方应能解码该字符串，恢复出原始的字符串数组。

示例：

输入：[“Hello”,“World”]

输出：[“Hello”,“World”]

约束条件：

• 1 <= strs.length <= 200

• 0 <= strs[i].length <= 200

• strs[i] 包含任意可能的字符，包括特殊字符。

进阶：

你能否设计一个通用的算法，适用于任何可能的字符集？

题解答案

为了解决这个问题，我们需要设计一种编码方式，使得编码后的字符串能唯一地表示原始的字符串数组，并且在解码时能准确地恢复。考虑到字符串中可能包含任何字符，包括我们可能选择的分隔符，因此直接使用特殊字符作为分隔符可能导致解码错误。一种可靠的方法是采用长度前缀的方式，即在每个字符串前添加其长度和一个分隔符，这样在解码时可以根据长度准确地提取每个字符串。

题解代码分析

以下是使用 Swift 语言实现的编码和解码方法：

编码方法

class Codec {
    func encode(_ strs: [String]) -> String {
        var encoded = ""
        for str in strs {
            let length = str.count
            encoded += "\(length)#\(str)"
        }
        return encoded
    }
}

解析：

• 我们遍历字符串数组中的每个字符串。

• 对于每个字符串，计算其长度，并将长度与字符串本身连接，中间使用 # 作为分隔符。

• 将所有这样的编码片段连接起来，形成最终的编码字符串。

示例：

输入：[“Hello”, “World”]

编码过程：

• “Hello” → “5#Hello”

• “World” → “5#World”

最终编码字符串：“5#Hello5#World”

解码方法

extension Codec {
    func decode(_ s: String) -> [String] {
        var strs = [String]()
        var i = s.startIndex
        while i < s.endIndex {
            var j = i
            while s[j] != "#" {
                j = s.index(after: j)
            }
            let length = Int(s[i..<j])!
            let start = s.index(after: j)
            let end = s.index(start, offsetBy: length)
            strs.append(String(s[start..<end]))
            i = end
        }
        return strs
    }
}

解析：

• 我们使用两个索引 i 和 j 来遍历编码字符串。

• 首先，找到下一个 # 分隔符，提取出长度信息。

• 然后，根据长度提取出对应的字符串。

• 将提取出的字符串添加到结果数组中，继续处理下一个编码片段。

示例：

编码字符串：“5#Hello5#World”

解码过程：

• 提取长度 5，字符串 “Hello”

• 提取长度 5，字符串 “World”

最终结果：[“Hello”, “World”]

示例测试及结果

我们可以通过以下示例来验证编码和解码方法的正确性：

let codec = Codec()
let original = ["Hello", "World", "Swift", "LeetCode"]
let encoded = codec.encode(original)
print("Encoded: \(encoded)")
let decoded = codec.decode(encoded)
print("Decoded: \(decoded)")

输出：

Encoded: 5#Hello5#World5#Swift8#LeetCode
Decoded: ["Hello", "World", "Swift", "LeetCode"]

可以看到，解码后的结果与原始数组完全一致，验证了方法的正确性。

时间复杂度

• 编码方法：

  • 我们遍历字符串数组中的每个字符串，计算其长度并进行字符串连接。

  • 假设字符串数组中有 n 个字符串，总字符数为 k，则时间复杂度为 O(k)。

• 解码方法：

  • 我们遍历编码字符串，提取每个字符串的长度和内容。

  • 同样，时间复杂度为 O(k)。

空间复杂度

• 编码方法：

  • 我们构建了一个新的字符串，长度为原始字符串总长度加上长度前缀和分隔符的长度。

  • 因此，空间复杂度为 O(k)。

• 解码方法：

  • 我们构建了一个新的字符串数组，包含原始的所有字符串。

  • 因此，空间复杂度为 O(k)。

总结

通过在每个字符串前添加其长度和一个分隔符，我们可以可靠地将字符串数组编码为单个字符串，并能准确地解码回原始数组。这种方法避免了使用特殊字符作为分隔符可能带来的问题，具有较高的可靠性和通用性。在实际应用中，如网络传输、数据存储等场景，这种编码方式具有重要的实用价值。

在更复杂的系统中，我们可能需要处理更复杂的数据结构，如嵌套的数组、字典等。此时，可以考虑使用更通用的序列化方法，如 JSON、XML 等，或者使用专门的序列化框架，如 Protocol Buffers、Thrift 等，以满足更高的性能和可扩展性需求。