第一章、左旋转字符串
作者：July，yansha、caopengcs。
时间：二零一一年四月十四日。
题目描述：
定义字符串的左旋转操作：把字符串前面的若干个字符移动到字符串的尾部，如把字符串abcdef左旋转2位得到字符串cdefab。
请实现字符串左旋转的函数，要求对长度为n的字符串操作的时间复杂度为O(n)，空间复杂度为O(1)。
思路一、暴力移位法
初看此题，咱们最先想到的笨方法可能就是一位一位移动，故咱们写一个函数叫做 leftshiftone(char *s,int n) 完成左移动一位的功能
void leftshiftone(char *s,int n) {
char t = s[0]; //保存第一个字符
for (int i = 1; i < n; ++i) {
s[i - 1] = s[i];
}
s[n - 1] = t;
} void leftshift(char *s,int n,int m) {
while (m--) {
leftshiftone(s, n);
}
} 思路二、指针翻转法
咱们先来看个例子，如下：abc defghi，若要让abc移动至最后的过程可以是：abc defghi->def abcghi->def ghiabc
如此，我们可定义俩指针，p1指向ch[0]，p2指向ch[m]；
一下过程循环m次，交换p1和p2所指元素，然后p1++, p2++；。
整个过程，看起来，就是abc 一步一步 向后移动
图解如下：
由上述例子九个元素的序列abcdefghi，您已经看到，m=3时，p2恰好指到了数组最后一个元素，于是，上述思路没有问题。但如果上面例子中i 的后面还有元素列?
即，如果是要左旋十个元素的序列：abcdefghij，ok，下面，就举这个例子，对abcdefghij序列进行左旋转操作：
如果abcdef ghij要变成defghij abc：
abcdef ghij
1. def abc ghij
2. def ghi abc j //接下来，j 步步前移
3. def ghi ab jc
4. def ghi a j bc
5. def ghi j abc
下面，再针对上述过程，画个图清晰说明下，如下所示：
ok，咱们来好好彻底总结一下此思路二：（就4点，请仔细阅读）：
1、首先让p1=ch[0]，p2=ch[m]，即让p1，p2相隔m的距离；
2、判断p2+m-1是否越界，如果没有越界转到3，否则转到4（abcdefgh这8个字母的字符串，以4左旋，那么初始时p2指向e，p2+4越界了，但事实上p2至p2+m-1是m个字符，可以再做一个交换）。
3、不断交换*p1与*p2，然后p1++，p2++，循环m次，然后转到2。
4、此时p2+m-1 已经越界，在此只需处理尾巴。过程如下：
4.1 通过n-p2得到p2与尾部之间元素个数r，即我们要前移的元素个数。
4.2 以下过程执行r次：
ch[p2]<->ch[p2-1]，ch[p2-1]<->ch[p2-2]，....，ch[p1+1]<->ch[p1]；p1++；p2++；
所以，之前最初的那个左旋转九个元素abcdefghi的思路在末尾会出现问题的（如果p2后面有元素就不能这么变，例如，如果是处理十个元素，abcdefghij 列?对的，就是这个意思），解决办法有两个：
方法一（即如上述思路总结所述）：
def ghi abc jk
当p1指向a，p2指向j时，由于p2+m越界，那么此时p1，p2不要变
这里p1之后（abcjk)就是尾巴，处理尾巴只需将j,k移到abc之前，得到最终序列，代码编写如下：
//copyright@July、颜沙
//最终代码，July，updated again，2011.04.17。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
void rotate(string &str, int m)
{
if (str.length() == 0 || m <= 0)
return;
int n = str.length();
if (m % n <= 0)
return;
int p1 = 0, p2 = m;
int k = (n - m) - n % m;
// 交换p1，p2指向的元素，然后移动p1，p2
while (k --)
{
swap(str[p1], str[p2]);
p1++;
p2++;
}
// 重点，都在下述几行。
// 处理尾部，r为尾部左移次数
int r = n - p2;
while (r--)
{
int i = p2;
while (i > p1)
{
swap(str[i], str[i-1]);
i--;
}
p2++;
p1++;
}
//比如一个例子，abcdefghijk
// p1 p2
//当执行到这里时，defghi a b c j k
//p2+m出界 了，
//r=n-p2=2，所以以下过程，要执行循环俩次。
//第一次：j 步步前移，abcjk->abjck->ajbck->jabck
//然后，p1++，p2++，p1指a，p2指k。
// p1 p2
//第二次：defghi j a b c k
//同理，此后，k步步前移，abck->abkc->akbc->kabc。
}
int main()
{
string ch="abcdefghijk";
rotate(ch,3);
cout<<ch<<endl;
return 0;
} 方法二：
def ghi abc jk
当p1指向a，p2指向j时，那么交换p1和p2，
此时为:
def ghi jbc ak
p1++，p2++,p1指向b，p2指向k，继续上面步骤得:
def ghi jkc ab
p1++，p2不动,p1指向c，p2指向b，p1和p2之间（cab)也就是尾巴，
那么处理尾巴（cab)需要循环左移一定次数（而后的具体操作步骤已在下述程序的注释中已详细给出）。
根据方案二，不难写出下述代码（已测试正确）：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//颜沙，思路二之方案二，
//July、updated，2011.04.16。
void rotate(string &str, int m)
{
if (str.length() == 0 || m < 0)
return;
//初始化p1，p2
int p1 = 0, p2 = m;
int n = str.length();
// 处理m大于n
if (m % n == 0)
return;
// 循环直至p2到达字符串末尾
while(true)
{
swap(str[p1], str[p2]);
p1++;
if (p2 < n - 1)
p2++;
else
break;
}
// 处理尾部，r为尾部循环左移次数
int r = m - n % m; // r = 1.
while (r--) //外循环执行一次
{
int i = p1;
char temp = str[p1];
while (i < p2) //内循环执行俩次
{
str[i] = str[i+1];
i++;
}
str[p2] = temp;
}
//举一个例子
//abcdefghijk
//当执行到这里的时候，defghiabcjk
// p1 p2
//defghi a b c j k，a 与 j交换，jbcak，然后，p1++，p2++
// p1 p2
// j b c a k，b 与 k交换，jkcab，然后，p1++，p2不动，
//r = m - n % m= 3-11%3=1，即循环移位1次。
// p1 p2
// j k c a b
//p1所指元素c实现保存在temp里，
//然后执行此条语句：str[i] = str[i+1]; 即a跑到c的位置处，a_b
//i++，再次执行：str[i] = str[i+1]，ab_
//最后，保存好的c 填入，为abc，所以，最终序列为defghi jk abc。
//July、updated，2011.04.17晚，送走了她。
}
int main()
{
string ch="abcdefghijk";
rotate(ch,3);
cout<<ch<<endl;
return 0;
} 注意：上文中都是假设m<n，且如果鲁棒点的话令m=m%n，这样m允许大于n。另外，各位要记得处理指针为空的情况。
还可以看下这段代码：
/*
* myinvert2.cpp
*
* Created on: 2011-5-11
* Author: BigPotato
*/
#include<iostream>
#include<string>
#define positiveMod(m,n) ((m) % (n) + (n)) % (n)
/*
*左旋字符串str，m为负数时表示右旋abs（m）个字母
*/
void rotate(std::string &str, int m) {
if (str.length() == 0)
return;
int n = str.length();
//处理大于str长度及m为负数的情况,positiveMod可以取得m为负数时对n取余得到正数
m = positiveMod(m,n);
if (m == 0)
return;
// if (m % n <= 0)
// return;
int p1 = 0, p2 = m;
int round;
//p2当前所指和之后的m-1个字母共m个字母，就可以和p2前面的m个字母交换。
while (p2 + m - 1 < n) {
round = m;
while (round--) {
std::swap(str[p1], str[p2]);
p1++;
p2++;
}
}
//剩下的不足m个字母逐个交换
int r = n - p2;
while (r--) {
int i = p2;
while (i > p1) {
std::swap(str[i], str[i - 1]);
i--;
}
p2++;
p1++;
}
}
//测试
int main(int argc, char **argv) {
// std::cout << ((-15) % 7 + 7) % 7 << std::endl;
// std::cout << (-15) % 7 << std::endl;
std::string ch = "abcdefg";
int len = ch.length();
for (int m = -2 * len; m <= len * 2; m++) {
//由于传给rotate的是string的引用，所以这里每次调用都用了一个新的字符串
std::string s = "abcdefg";
rotate(s, m);
std::cout << positiveMod(m,len) << ": " << s << std::endl;
}
return 0;
} 思路三、递归转换法
本文最初发布时，网友留言bluesmic说：楼主，谢谢你提出的研讨主题，很有学术和实践价值。关于思路二，本人提一个建议：思路二的代码，如果用递归的思想去简化，无论代码还是逻辑都会更加简单明了。
就是说，把一个规模为N的问题化解为规模为M(M<N)的问题。
举例来说，设字符串总长度为L，左侧要旋转的部分长度为s1，那么当从左向右循环交换长度为s1的小段，直到最后，由于剩余的部分长度为s2(s2==L%s1)而不能直接交换。
该问题可以递归转化成规模为s1+s2的，方向相反(从右向左)的同一个问题。随着递归的进行，左右反复回荡，直到某一次满足条件L%s1==0而交换结束。
举例解释一下：
设原始问题为：将“123abcdefg”左旋转为“abcdefg123”，即总长度为10，旋转部("123")长度为3的左旋转。按照思路二的运算，演变过程为“123abcdefg”->"abc123defg"->"abcdef123g"。这时，"123"无法和"g"作对调，该问题递归转化为：将“123g”右旋转为"g123"，即总长度为4，旋转部("g")长度为1的右旋转。
updated：
Ys：
Bluesmic的思路没有问题，他的思路以前很少有人提出。思路是通过递归将问题规模变小。当字符串总长度为n，左侧要旋转的部分长度为m，那么当从左向右循环交换长度为m的小段直到剩余部分为m’(n % m)，此时m’ < m，已不能直接交换了。
此后，我们换一个思路，把该问题递归转化成规模大小为m’ +m，方向相反的同一问题。随着递归的进行，直到满足结束条件n % m==0。
举个具体事例说明，如下：
1、对于字符串abc def ghi gk，
将abc右移到def ghi gk后面，此时n = 11，m = 3，m’ = n % m = 2;
abc def ghi gk -> def ghi abc gk
2、问题变成gk左移到abc前面，此时n = m’ + m = 5，m = 2，m’ = n % m 1;
abc gk -> a gk bc
3、问题变成a右移到gk后面，此时n = m’ + m = 3，m = 1，m’ = n % m = 0;
a gk bc-> gk a bc。 由于此刻，n % m = 0，满足结束条件，返回结果。
即从左至右，后从右至左，再从左至右，如此反反复复，直到满足条件，返回退出。
代码如下，已测试正确（有待优化）：
//递归，
//感谢网友Bluesmic提供的思路
//copyright@ yansha 2011.04.19
//July，updated，2011.04.20.
#include <iostream>
using namespace std;
void rotate(string &str, int n, int m, int head, int tail, bool flag)
{
//n 待处理部分的字符串长度，m：待处理部分的旋转长度
//head：待处理部分的头指针，tail：待处理部分的尾指针
//flag = true进行左旋，flag = false进行右旋
// 返回条件
if (head == tail || m <= 0)
return;
if (flag == true)
{
int p1 = head;
int p2 = head + m; //初始化p1，p2
//1、左旋：对于字符串abc def ghi gk，
//将abc右移到def ghi gk后面，此时n = 11，m = 3，m’ = n % m = 2;
//abc def ghi gk -> def ghi abc gk
//（相信，经过上文中那么多繁杂的叙述，此类的转换过程，你应该是了如指掌了。）
int k = (n - m) - n % m; //p1，p2移动距离，向右移六步
/*---------------------
解释下上面的k = (n - m) - n % m的由来：
yansha：
以p2为移动的参照系：
n-m 是开始时p2到末尾的长度，n%m是尾巴长度
(n-m)-n%m就是p2移动的距离
比如 abc def efg hi
开始时p2->d,那么n-m 为def efg hi的长度8，
n%m 为尾巴hi的长度2，
因为我知道abc要移动到hi的前面，所以移动长度是
(n-m)-n%m = 8-2 = 6。
*/
for (int i = 0; i < k; i++, p1++, p2++)
swap(str[p1], str[p2]);
rotate(str, n - k, n % m, p1, tail, false); //flag标志变为false，结束左旋，下面，进入右旋
}
else
{
//2、右旋：问题变成gk左移到abc前面，此时n = m’ + m = 5，m = 2，m’ = n % m 1;
//abc gk -> a gk bc
int p1 = tail;
int p2 = tail - m;
// p1，p2移动距离，向左移俩步
int k = (n - m) - n % m;
for (int i = 0; i < k; i++, p1--, p2--)
swap(str[p1], str[p2]);
rotate(str, n - k, n % m, head, p1, true); //再次进入上面的左旋部分，
//3、左旋：问题变成a右移到gk后面，此时n = m’ + m = 3，m = 1，m’ = n % m = 0;
//a gk bc-> gk a bc。 由于此刻，n % m = 0，满足结束条件，返回结果。
}
}
int main()
{
int i=3;
string str = "abcdefghijk";
int len = str.length();
rotate(str, len, i % len, 0, len - 1, true);
cout << str.c_str() << endl; //转化成字符数组的形式输出
return 0;
} 非常感谢。
稍后，由下文，您将看到，其实上述思路二的本质即是下文将要阐述的stl rotate算法，详情，请继续往下阅读。
思路四、循环移位法
下面，我将再具体深入阐述下此STL 里的rotate算法，由于stl里的rotate算法，用到了gcd的原理，下面，我将 先介绍辗转相除法(又称欧几里得算法、gcd算法）的算法思路及原理。gcd，即辗转相除法，又称欧几里得算法，是求最大公约数的算法，即求两个正整数之最大公因子的算法。此算法作为TAOCP第一个算法被阐述，足见此算法被重视的程度。
gcd算法：给定俩个正整数m，n（m>=n），求它们的最大公约数。（注意，一般要求m>=n，若m<n，则要先交换m<->n。下文，会具体解释）。
用数学定理表示即为：“定理：gcd(a,b) = gcd(b,a mod b) (a>b 且a mod b 不为0)”。以下，是此算法的具体流程：
1、[求余数]，令r=m%n，r为n除m所得余数（0<=r<n）；
2、[余数为0?]，若r=0，算法结束，此刻，n即为所求答案，否则，继续，转到3；
3、[重置]，置m<-n，n<-r，返回步骤1.
此算法的证明，可参考计算机程序设计艺术第一卷：基本算法。证明，此处略。
ok，下面，举一个例子，你可能看的更明朗点。
比如，给定m=544，n=119，
则余数r=m%n=544%119=68; 因r!=0，所以跳过上述步骤2，执行步骤3。；
置m<-119，n<-68，=>r=m%n=119%68=51;
置m<-68，n<-51，=>r=m%n=68%51=17；
置m<-51，n<-17，=>r=m%n=51%17=0，算法结束，
此时的n=17，即为m=544，n=119所求的俩个数的最大公约数。
再解释下上述gcd(m，n)算法开头处的，要求m>=n 的原因：举这样一个例子，如m<n，即m=119，n=544的话，那么r=m%n=119%544=119,
因为r!=0,所以执行上述步骤3，注意，看清楚了：m<-544，n<-119。看到了没，尽管刚开始给的m<n，但最终执行gcd算法时，还是会把m，n的值交换过来，以保证m>=n。
ok，我想，现在，你已经彻底明白了此gcd算法，下面，咱们进入主题，stl里的rotate算法的具体实现。//待续。
熟悉stl里的rotate算法的人知道，对长度为n的数组(ab)左移m位，可以用stl的rotate函数（stl针对三种不同的迭代器，提供了三个版本的rotate）。但在某些情况下，用stl的rotate效率极差。
对数组循环移位，可以采用的方法有（也算是对上文思路一，和思路二的总结）：
flyinghearts：
① 动态分配一个同样长度的数组，将数据复制到该数组并改变次序，再复制回原数组。（最最普通的方法）
② 利用ba=(br)^T(ar)^T=(arbr)^T，通过三次反转字符串。（即上述思路一，首先对序列前部分逆序，再对序列后部分逆序，再对整个序列全部逆序）
③ 分组交换（尽可能使数组的前面连续几个数为所要结果）：
若a长度大于b，将ab分成a0a1b，交换a0和b，得ba1a0，只需再交换a1 和a0。
若a长度小于b，将ab分成ab0b1，交换a和b0，得b0ab1，只需再交换a 和b0。
通过不断将数组划分，和交换，直到不能再划分为止。分组过程与求最大公约数很相似。
④ 所有序号为 (j+i *m) % n (j 表示每个循环链起始位置，i 为计数变量，m表示左旋转位数，n表示字符串长度)，会构成一个循环链（共有gcd(n,m)个，gcd为n、m的最大公约数），每个循环链上的元素只要移动一个位置即可，最后整个过程总共交换了n次（每一次循环链，是交换n/gcd(n,m)次，总共gcd(n,m)个循环链。所以，总共交换n次）。
stl的rotate的三种迭代器，即是，分别采用了后三种方法。
在给出stl rotate的源码之前，先来看下我的朋友ys对上述第4种方法的评论：
ys：这条思路个人认为绝妙，也正好说明了数学对算法的重要影响。
通过前面思路的阐述，我们知道对于循环移位，最重要的是指针所指单元不能重复。例如要使abcd循环移位变成dabc(这里m=3,n=4)，经过以下一系列眼花缭乱的赋值过程就可以实现：
ch[0]->temp, ch[3]->ch[0], ch[2]->ch[3], ch[1]->ch[2], temp->ch[1]; （*）
字符串变化为：abcd->_bcd->dbc_->db_c->d_bc->dabc;
是不是很神奇？其实这是有规律可循的。
请先看下面的说明再回过头来看。
对于左旋转字符串，我们知道每个单元都需要且只需要赋值一次，什么样的序列能保证每个单元都只赋值一次呢？
1、对于正整数m、n互为质数的情况，通过以下过程得到序列的满足上面的要求：
for i = 0: n-1
k = i * m % n;
end
举个例子来说明一下，例如对于m=3,n=4的情况，
1、我们得到的序列：即通过上述式子求出来的k序列，是0, 3, 2, 1。
2、然后，你只要只需按这个顺序赋值一遍就达到左旋3的目的了：
ch[0]->temp, ch[3]->ch[0], ch[2]->ch[3], ch[1]->ch[2], temp->ch[1]; （*） 
ok，这是不是就是按上面（*）式子的顺序所依次赋值的序列阿?哈哈，很巧妙吧。当然，以上只是特例，作为一个循环链，相当于rotate算法的一次内循环。
2、对于正整数m、n不是互为质数的情况（因为不可能所有的m，n都是互质整数对），那么我们把它分成一个个互不影响的循环链，正如flyinghearts所言，所有序号为 (j + i * m) % n（j为0到gcd(n, m)-1之间的某一整数，i = 0:n-1）会构成一个循环链，一共有gcd(n, m)个循环链，对每个循环链分别进行一次内循环就行了。
综合上述两种情况，可简单编写代码如下：
后来有网友针对上述的思路④，给出了下述的证明：
1、首先，直观的看肯定是有循环链，关键是有几条以及每条有多长，根据(i+j *m) % n这个表达式可以推出一些东东，一个j对应一条循环链，现在要证明(i+j *m) % n有n/gcd(n,m)个不同的数。
2、假设j和k对应的数字是相同的， 即(i+j*m)%n = (i+k*m)%n， 可以推出n|(j-k)*m，m=m’*gcd(n.m), n=n’*gcd(n,m), 可以推出n’|(j-k)*m’，而m’和n’互素，于是n’|(j-k)，即(n/gcd(n,m))|(j-k)，
3、所以(i+j*m) % n有n/gcd(n,m)个不同的数。则总共有gcd(n，m)个循环链。符号“|”是整除的意思。
以上的3点关于为什么一共有gcd(n, m)个循环链的证明，应该是来自qq3128739xx的，非常感谢这位朋友。
由于上述stl rotate源码中，方案④ 的代码，较复杂，难以阅读，下面是对上述第④ 方案的简单改写：
//对上述方案4的改写。
//④ 所有序号为 (i+t*k) % n (i为指定整数，t为任意整数)，....
//copyright@ hplonline && July 2011.04.18。
//July、sahala、yansha，updated，2011.06.02。
void my_rotate(char *begin, char *mid, char *end)
{
int n = end - begin;
int k = mid - begin;
int d = gcd(n, k);
int i, j;
for (i = 0; i < d; i ++)
{
int tmp = begin[i];
int last = i;
//i+k为i右移k的位置，%n是当i+k>n时从左重新开始。
for (j = (i + k) % n; j != i; j = (j + k) % n) //多谢laocpp指正。
{
begin[last] = begin[j];
last = j;
}
begin[last] = tmp;
}
} 关于本题，不少网友也给出了他们的意见，具体请参见此帖子微软100题，维护地址。
思路五、三步翻转法
对于这个问题，咱们换一个角度，可以这么做：
将一个字符串分成两部分，X和Y两个部分，在字符串上定义反转的操作X^T，即把X的所有字符反转（如，X="abc"，那么X^T="cba"），那么我们可以得到下面的结论：(X^TY^T)^T=YX。显然我们这就可以转化为字符串的反转的问题了。
不是么?ok,就拿abcdef 这个例子来说，若要让def翻转到abc的前头，那么只要按下述3个步骤操作即可：
1、首先分为俩部分，X:abc，Y:def；
2、X->X^T，abc->cba， Y->Y^T，def->fed。
3、(X^TY^T)^T=YX，cbafed->defabc，即整个翻转。
我想，这下，你应该一目了然了。
其次，在《编程珠玑》上也有这样一个类似的问题，它的解法同本思路一致，如下图所示：
然后，代码可以这么写：
//Copyright@ 小桥流水 && July
//c代码实现，已测试正确。
//http://www.smallbridge.co.cc/2011/03/13/100%E9%A2%98
//_21-%E5%B7%A6%E6%97%8B%E8%BD%AC%E5%AD%97%E7%AC%A6%E4%B8%B2.html
//July、updated，2011.04.17。
char * invert(char *start, char *end)
{
char tmp, *ptmp = start;
while (start != NULL && end != NULL && start < end)
{
tmp = *start;
*start = *end;
*end = tmp;
start ++;
end --;
}
return ptmp;
}
char *left(char *s, int pos) //pos为要旋转的字符个数，或长度，下面主函数测试中，pos=3。
{
int len = strlen(s);
invert(s, s + (pos - 1)); //如上，X->X^T，即 abc->cba
invert(s + pos, s + (len - 1)); //如上，Y->Y^T，即 def->fed
invert(s, s + (len - 1)); //如上，整个翻转，(X^TY^T)^T=YX，即 cbafed->defabc。
return s;
}