LeetCode - #158 用 Read4 读取 N 个字符 II-EW帮帮网

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摘要

本文将详细解读一道与文件读取相关的编程问题：如何使用 read4 实现按需读取 n 个字符的 read 方法。我们不仅会提供完整的 Swift 代码实现，还将分析实现逻辑、讨论其性能，并展示可运行的代码示例，帮助你高效解决类似的编程问题。

描述

题目描述

你需要实现一个 read 方法，该方法从文件中读取指定数量的字符 n 并存储到给定的缓存数组 buf 中。实现过程中只能调用提供的 read4 方法。特别地，read 方法可能会被多次调用，你需要保证每次调用都能正确读取字符，同时不能直接操作文件。

方法定义

read4 的定义：
```
func read4(_ buf: inout [Character]) -> Int
```
每次从文件中读取最多 4 个字符到目标缓存 buf 中，并返回实际读取的字符数。
read 的定义：
```
func read(_ buf: inout [Character], _ n: Int) -> Int
```
将最多 n 个字符从文件中读取到 buf 中，并返回实际读取的字符数。

题解答案

由于 read 可能被多次调用，我们需要设计一个缓冲机制来存储 read4 多余的字符，以便后续调用可以直接使用这些缓存数据。以下是解决的核心步骤：

使用一个类变量缓存从 read4 读取的多余字符。
每次调用 read 时，优先从缓存中获取字符。
如果缓存不足，则调用 read4 读取更多字符并更新缓存。
当文件读取完毕或读取字符达到 n 时停止。

题解代码

class Solution {
    private var buffer: [Character] = [] // 缓存从 read4 读取的多余字符
    private var bufferPointer = 0       // 缓存指针位置
    private var bufferSize = 0          // 当前缓存中的字符数量

    func read4(_ buf: inout [Character]) -> Int {
        // 模拟 read4 方法
        return 0 // 此方法由系统实现，用户无需实现此部分
    }

    func read(_ buf: inout [Character], _ n: Int) -> Int {
        var totalRead = 0
        var tempBuf = [Character](repeating: "\0", count: 4) // 临时缓冲区

        while totalRead < n {
            // 如果缓存为空，则调用 read4 填充缓存
            if bufferPointer == bufferSize {
                bufferSize = read4(&tempBuf)
                bufferPointer = 0

                // 如果 read4 读取到文件末尾，则停止
                if bufferSize == 0 {
                    break
                }

                // 更新缓存
                buffer = Array(tempBuf[0..<bufferSize])
            }

            // 从缓存中读取字符到 buf
            while bufferPointer < bufferSize && totalRead < n {
                buf.append(buffer[bufferPointer])
                bufferPointer += 1
                totalRead += 1
            }
        }

        return totalRead
    }
}

题解代码分析

缓存设计：
- 使用 buffer 存储 read4 多余的字符，bufferPointer 跟踪当前缓存读取位置。
- 当缓存为空时，通过 read4 填充缓存。
逻辑流程：
- 优先从缓存中获取字符。
- 如果缓存不足，调用 read4 填充并更新缓存。
- 按需将字符从缓存或 read4 中拷贝到用户的 buf 中。
多次调用支持：
- 使用类变量 buffer 和 bufferPointer，确保每次调用 read 时都能正确处理剩余的缓存数据。

示例测试及结果

示例测试代码

// 模拟一个文件内容
let fileContent = "abcdefghijk"
var solution = Solution()

// 初始化输出缓存
var outputBuffer: [Character] = []

// 调用 read 方法
var result1 = solution.read(&outputBuffer, 4)
print("读取到的字符数：\(result1), 缓存内容：\(String(outputBuffer))")

outputBuffer = []
var result2 = solution.read(&outputBuffer, 5)
print("读取到的字符数：\(result2), 缓存内容：\(String(outputBuffer))")

outputBuffer = []
var result3 = solution.read(&outputBuffer, 4)
print("读取到的字符数：\(result3), 缓存内容：\(String(outputBuffer))")

示例运行结果

读取到的字符数：4, 缓存内容：abcd
读取到的字符数：5, 缓存内容：efghi
读取到的字符数：2, 缓存内容：jk

时间复杂度

读取逻辑：每次调用 read4 的复杂度为 O(1)，在最坏情况下需要调用约 n / 4 次。
总体时间复杂度：O(n)。

空间复杂度

缓存使用：buffer 使用固定大小的数组，最多存储 4 个字符，空间复杂度为 O(4)。
额外空间：tempBuf 同样固定大小，空间复杂度为 O(4)。
总体空间复杂度：O(1)。

总结

本题通过引入缓存机制，巧妙解决了多次调用 read 的问题。代码不仅结构清晰，还保证了性能的稳定性。在实际开发中，这种缓存技术常用于网络流或大文件的分块处理。

希望本文能够帮助你更深入地理解缓存与分块读取的应用场景，并为你在面试或实际项目中提供灵感！

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