二維數組搜索優化

Question

我寫了一段代碼，以便在二維數組的行/列中找到 3 個重復的元素。

private static bool SearchInRows(int[,] matrix)
{
    int count = 1;
    int repeatElement = int.MaxValue;

    //Search in rows
    for (int i = 0; i < matrix.GetLength(0); i++)
    {
        repeatElement = matrix[i, 0];

        for (int j = 1; j < matrix.GetLength(1); j++)
        {
            if (repeatElement == matrix[i, j])
            {
                count++;
                if (count >= 3)
                {
                    Console.WriteLine($"Repeated elements are in positions i:{i}, j:{j - 2}, {j - 1}, {j}");
                    return true;
                }
            }
            else
            {
                repeatElement = matrix[i, j];
                count = 1;
            }
        }
    }
    return false;
}
private static bool SearchInCols(int[,] matrix)
{
    int count = 1;
    int repeatElement = int.MaxValue;

    //Search in cols
    for (int j = 0; j < matrix.GetLength(1); j++)
    {
        repeatElement = matrix[0, j];

        for (int i = 1; i < matrix.GetLength(0); i++)
        {
            if (repeatElement == matrix[i, j])
            {
                count++;
                if (count >= 3)
                {
                    Console.WriteLine($"Repeated elements are in positions j:{j}, i:{i-2}, {i-1}, {i}");
                    return true;
                }
            }
            else
            {
                repeatElement = matrix[i, j];
                count = 1;
            }
        }
    }
    return false;
}

它工作正常，但我會做這樣的事情：

while (!SearchInRows(matrix) && !SearchInCols(matrix))
{
    SearchInRows(matrix);
    SearchInCols(matrix);
    //modify the matrix
}

我想知道，如果我可以使用一些東西來提高我的代碼的性能，比如在每個方法上添加 Task.Run 或其他東西（我為此將方法拆分為 cols 和 rows）。

Answer 1

您的問題有更高效的解決方案，因為您的函數本質上要求您對每個元素進行兩次迭代（一次用於列，一次用於行）。 通過你調用函數的方式，你有更多的迭代。

這是我想出的一個更有效的解決方案，但可能還有更好的解決方案。 基本上，我只對每個元素迭代一次，並檢查列和行中接下來的兩個元素是否匹配。 例如，讓我們看看下面的 8x8 二維數組。 我對紅色框中的每個元素進行一次迭代，並檢查行/列中接下來的兩個元素是否匹配。 這讓我有兩行和兩列未選中，我必須單獨檢查。

這是代碼：

private static void FindThreeRepeatedElements(int[,] matrix)
{
    // iterate once trough each element (red box) and check
    // if the next 2 elements in the row / column match
    for(int row = 0; row < matrix.GetLength(0) - 2; row++)
    {
        for (int column = 0; column < matrix.GetLength(1) - 2; column++)
        {
            CheckRow(matrix, row, column);
            CheckColumn(matrix, row, column);
        }
    }

    // check the last remaining 2 rows
    CheckRow(matrix, matrix.GetLength(0) - 2, matrix.GetLength(0) - 3);
    CheckRow(matrix, matrix.GetLength(0) - 1, matrix.GetLength(0) - 3);

    // check the last remaining 2 columns
    CheckColumn(matrix, matrix.GetLength(0) - 3, matrix.GetLength(0) - 2);
    CheckColumn(matrix, matrix.GetLength(0) - 3, matrix.GetLength(0) - 1);
}

private static void CheckRow(int[,] matrix, int row, int column)
{
    int element = matrix[row, column];
    if (element == matrix[row, column + 1] && element == matrix[row, column + 2])
    {
        Console.WriteLine($"Three repeated elements with value {element} are found in row {row} at the positions: [{row}, {column}], [{row}, {column + 1}], [{row}, {column + 2}]");
    }
}

private static void CheckColumn(int[,] matrix, int row, int column)
{
    int element = matrix[row, column];
    if(element == matrix[row + 1, column] && element == matrix[row + 2, column])
    {
        Console.WriteLine($"Three repeated elements with value {element} are found in column {column} at the positions: [{row}, {column}], [{row + 1}, {column}], [{row + 2}, {column}]");
    }
}

正如您剛才在評論中指出的那樣，在某些情況下可以跳過某些元素的檢查，因為它們之前已經過檢查。 例如，如果我們再次查看 8x8 二維數組，在比較藍色框中的元素后，我們看到前兩個元素匹配（均為 7），因此我們檢查第三個元素是否也具有值 7，這失敗（它的值為 4）。 現在我們已經知道我們可以跳過對行中接下來三個元素的檢查（橙色框），因為當我們到達值為 7、4 和 5 的元素時，我們已經在前一個元素中對前兩個元素進行了比較迭代。

我修改了上面的代碼以跳過這些比較，這給我們留下了更多的代碼，但在技術上比較更少（不確定它是否實際上性能更高）。 在此示例中，bool _skipNextRowCheck在藍色框中進行比較后將為真，這將完全跳過檢查橙色框中的 3 個元素是否具有相等的值。

這是修改后的代碼：

private static bool _skipNextRowCheck = false;
private static bool _skipNextColumnCheck = false;

private static void FindThreeRepeatedElementsWithSkips(int[,] matrix)
{
    // iterate trough each element and check
    // if the next 2 elements in the row / column match
    for (int row = 0; row < matrix.GetLength(0) - 2; row++)
    {
        for (int column = 0; column < matrix.GetLength(1) - 2; column++)
        {
            CheckRowWithSkips(matrix, row, column);
            CheckColumnWithSkips(matrix, row, column);
        }
    }

    // check the last remaining 2 rows
    CheckRowWithSkips(matrix, matrix.GetLength(0) - 2, matrix.GetLength(0) - 3);
    CheckRowWithSkips(matrix, matrix.GetLength(0) - 1, matrix.GetLength(0) - 3);

    // check the last remaining 2 columns
    CheckColumnWithSkips(matrix, matrix.GetLength(0) - 3, matrix.GetLength(0) - 2);
    CheckColumnWithSkips(matrix, matrix.GetLength(0) - 3, matrix.GetLength(0) - 1);
}

private static void CheckRowWithSkips(int[,] matrix, int row, int column)
{
    if(_skipNextRowCheck)
    {
        _skipNextRowCheck = false;
        return;
    }

    int element = matrix[row, column];
    if (element == matrix[row, column + 1])
    {
        if(element == matrix[row, column + 2])
        {
            Console.WriteLine($"Three repeated elements with value {element} are found in row {row} at the positions: [{row}, {column}], [{row}, {column + 1}], [{row}, {column + 2}]");
        }
        else
        {
            _skipNextRowCheck = true;
        }
    }
}

private static void CheckColumnWithSkips(int[,] matrix, int row, int column)
{
    if (_skipNextColumnCheck)
    {
        _skipNextColumnCheck = false;
        return;
    }

    int element = matrix[row, column];
    if (element == matrix[row + 1, column])
    {
        if(element == matrix[row + 2, column])
        {
            Console.WriteLine($"Three repeated elements with value {element} are found in column {column} at the positions: [{row}, {column}], [{row + 1}, {column}], [{row + 2}, {column}]");
        }
        else
        {
            _skipNextColumnCheck = true;
        }
    }
}

這是一個帶有圖片二維數組的主程序 function，只需將主程序 function 和所有其他函數復制到一個程序class 中即可試用：

static void Main(string[] args)
{
    int[,] matrix = new int[8, 8] 
    { 
        { 7, 7, 7, 4, 5, 6, 1, 8 },
        { 1, 4, 3, 4, 3, 9, 3, 8 },
        { 1, 2, 3, 4, 3, 6, 7, 8 },
        { 1, 4, 7, 4, 5, 4, 7, 8 },
        { 1, 2, 3, 4, 5, 5, 3, 5 },
        { 1, 1, 1, 7, 5, 9, 9, 9 },
        { 1, 2, 7, 6, 5, 9, 9, 9 },
        { 1, 2, 3, 4, 5, 9, 9, 9 },
    };

    Console.WriteLine("\nSearching for three repeated elements in the 2d array:");
    FindThreeRepeatedElements(matrix);

    Console.WriteLine("\nSearching for three repeated elements in the 2d array, and skipping unneccessary comparisons:");
    FindThreeRepeatedElementsWithSkips(matrix);
}