feat: add solutions to lc problems: No.3369~3373 (#3835)

Author: yanglbme

solution/3300-3399/3369.Design an Array Statistics Tracker/README.md

@@ -102,7 +102,23 @@ statisticsTracker.getMode(); // return 5</div>
 
 <!-- solution:start -->
 
-### 方法一
+### 方法一：队列 + 哈希表 + 有序集合
+
+我们定义一个队列 $\textit{q}$，用来存储添加的数字，一个变量 $\textit{s}$，用来存储所有数字的和，一个哈希表 $\textit{cnt}$，用来存储每个数字的出现次数，一个有序集合 $\textit{sl}$，用来存储所有数字，一个有序集合 $\textit{sl2}$，用来存储所有数字及其出现次数，按照出现次数降序、数值升序的顺序。
+
+在 `addNumber` 方法中，我们将数字添加到队列 $\textit{q}$ 中，将数字添加到有序集合 $\textit{sl}$ 中，然后先将数字及其出现次数从有序集合 $\textit{sl2}$ 中删除，再更新数字的出现次数，最后将数字及其出现次数添加到有序集合 $\textit{sl2}$ 中，并更新所有数字的和。时间复杂度为 $O(\log n)$。
+
+在 `removeFirstAddedNumber` 方法中，我们从队列 $\textit{q}$ 中删除最早添加的数字，从有序集合 $\textit{sl}$ 中删除数字，然后先将数字及其出现次数从有序集合 $\textit{sl2}$ 中删除，再更新数字的出现次数，最后将数字及其出现次数添加到有序集合 $\textit{sl2}$ 中，并更新所有数字的和。时间复杂度为 $O(\log n)$。
+
+在 `getMean` 方法中，我们返回所有数字的和除以数字的数量，时间复杂度为 $O(1)$。
+
+在 `getMedian` 方法中，我们返回有序集合 $\textit{sl}$ 中的第 $\textit{len}(\textit{q}) / 2$ 个数字，时间复杂度为 $O(1)$ 或 $O(\log n)$。
+
+在 `getMode` 方法中，我们返回有序集合 $\textit{sl2}$ 中的第一个数字，时间复杂度 $O(1)$。
+
+> 在 Python 中，我们可以直接按下标获取有序集合中的元素，在其它语言中，我们可以通过对顶堆实现。
+
+空间复杂度 $O(n)$，其中 $n$ 为添加的数字的数量。
 
 <!-- tabs:start -->
 
@@ -159,13 +175,225 @@ class StatisticsTracker:
 #### Java
 
 ```java
-
+class MedianFinder {
+    private final PriorityQueue<Integer> small = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder());
+    private final PriorityQueue<Integer> large = new PriorityQueue<>();
+    private final Map<Integer, Integer> delayed = new HashMap<>();
+    private int smallSize;
+    private int largeSize;
+
+    public void addNum(int num) {
+        if (small.isEmpty() || num <= small.peek()) {
+            small.offer(num);
+            ++smallSize;
+        } else {
+            large.offer(num);
+            ++largeSize;
+        }
+        rebalance();
+    }
+
+    public Integer findMedian() {
+        return smallSize == largeSize ? large.peek() : small.peek();
+    }
+
+    public void removeNum(int num) {
+        delayed.merge(num, 1, Integer::sum);
+        if (num <= small.peek()) {
+            --smallSize;
+            if (num == small.peek()) {
+                prune(small);
+            }
+        } else {
+            --largeSize;
+            if (num == large.peek()) {
+                prune(large);
+            }
+        }
+        rebalance();
+    }
+
+    private void prune(PriorityQueue<Integer> pq) {
+        while (!pq.isEmpty() && delayed.containsKey(pq.peek())) {
+            if (delayed.merge(pq.peek(), -1, Integer::sum) == 0) {
+                delayed.remove(pq.peek());
+            }
+            pq.poll();
+        }
+    }
+
+    private void rebalance() {
+        if (smallSize > largeSize + 1) {
+            large.offer(small.poll());
+            --smallSize;
+            ++largeSize;
+            prune(small);
+        } else if (smallSize < largeSize) {
+            small.offer(large.poll());
+            --largeSize;
+            ++smallSize;
+            prune(large);
+        }
+    }
+}
+
+class StatisticsTracker {
+    private final Deque<Integer> q = new ArrayDeque<>();
+    private long s;
+    private final Map<Integer, Integer> cnt = new HashMap<>();
+    private final MedianFinder medianFinder = new MedianFinder();
+    private final TreeSet<int[]> ts
+        = new TreeSet<>((a, b) -> a[1] == b[1] ? a[0] - b[0] : b[1] - a[1]);
+
+    public StatisticsTracker() {
+    }
+
+    public void addNumber(int number) {
+        q.offerLast(number);
+        s += number;
+        ts.remove(new int[] {number, cnt.getOrDefault(number, 0)});
+        cnt.merge(number, 1, Integer::sum);
+        medianFinder.addNum(number);
+        ts.add(new int[] {number, cnt.get(number)});
+    }
+
+    public void removeFirstAddedNumber() {
+        int number = q.pollFirst();
+        s -= number;
+        ts.remove(new int[] {number, cnt.get(number)});
+        cnt.merge(number, -1, Integer::sum);
+        medianFinder.removeNum(number);
+        ts.add(new int[] {number, cnt.get(number)});
+    }
+
+    public int getMean() {
+        return (int) (s / q.size());
+    }
+
+    public int getMedian() {
+        return medianFinder.findMedian();
+    }
+
+    public int getMode() {
+        return ts.first()[0];
+    }
+}
 ```
 
 #### C++
 
 ```cpp
-
+class MedianFinder {
+public:
+    void addNum(int num) {
+        if (small.empty() || num <= small.top()) {
+            small.push(num);
+            ++smallSize;
+        } else {
+            large.push(num);
+            ++largeSize;
+        }
+        reblance();
+    }
+
+    void removeNum(int num) {
+        ++delayed[num];
+        if (num <= small.top()) {
+            --smallSize;
+            if (num == small.top()) {
+                prune(small);
+            }
+        } else {
+            --largeSize;
+            if (num == large.top()) {
+                prune(large);
+            }
+        }
+        reblance();
+    }
+
+    int findMedian() {
+        return smallSize == largeSize ? large.top() : small.top();
+    }
+
+private:
+    priority_queue<int> small;
+    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> large;
+    unordered_map<int, int> delayed;
+    int smallSize = 0;
+    int largeSize = 0;
+
+    template <typename T>
+    void prune(T& pq) {
+        while (!pq.empty() && delayed[pq.top()]) {
+            if (--delayed[pq.top()] == 0) {
+                delayed.erase(pq.top());
+            }
+            pq.pop();
+        }
+    }
+
+    void reblance() {
+        if (smallSize > largeSize + 1) {
+            large.push(small.top());
+            small.pop();
+            --smallSize;
+            ++largeSize;
+            prune(small);
+        } else if (smallSize < largeSize) {
+            small.push(large.top());
+            large.pop();
+            ++smallSize;
+            --largeSize;
+            prune(large);
+        }
+    }
+};
+
+class StatisticsTracker {
+private:
+    queue<int> q;
+    long long s = 0;
+    unordered_map<int, int> cnt;
+    MedianFinder medianFinder;
+    set<pair<int, int>> ts;
+
+public:
+    StatisticsTracker() {}
+
+    void addNumber(int number) {
+        q.push(number);
+        s += number;
+        ts.erase({-cnt[number], number});
+        cnt[number]++;
+        medianFinder.addNum(number);
+        ts.insert({-cnt[number], number});
+    }
+
+    void removeFirstAddedNumber() {
+        int number = q.front();
+        q.pop();
+        s -= number;
+        ts.erase({-cnt[number], number});
+        cnt[number]--;
+        if (cnt[number] > 0) {
+            ts.insert({-cnt[number], number});
+        }
+        medianFinder.removeNum(number);
+    }
+
+    int getMean() {
+        return static_cast<int>(s / q.size());
+    }
+
+    int getMedian() {
+        return medianFinder.findMedian();
+    }
+
+    int getMode() {
+        return ts.begin()->second;
+    }
+};
 ```
 
 #### Go