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给定一个可包含重复数字的序列 nums按任意顺序 返回所有不重复的全排列。

示例 1:

输入:nums = [1,1,2]
输出:
[[1,1,2],
 [1,2,1],
 [2,1,1]]

示例 2:

输入:nums = [1,2,3]
输出:[[1,2,3],[1,3,2],[2,1,3],[2,3,1],[3,1,2],[3,2,1]]

分析阶段

46. 全排列类似,区别在于:数组中包含重复元素。

对于重复的元素,可以像40. 组合总和 II的题解那样,先把数组排序,跳过值相等的两个元素。

1、问题类型

第二类:对某种数结构和算法的使用

使用的算法:在给定的元素集合中,找到所有满足条件的排列,使用“回溯算法“

数据结构:回溯算法需要构建空间状态树,使用树结构

2、解题思路

“回溯算法”要确定以下条件,然后构建出解集的空间状态树。

(1)选择列表

因为排列包含所有元素,所以选择列表是整个数组。

(2)路径

记录已经选择的元素值,在一个排列中,每个元素只能使用一次,所以要记录每个下标的元素是否被使用。

(3)结束条件

达到什么条件时结束结束当前节点的遍历?

路径中元素个数等于数组中元素个数,表示已经没有元素未被选中,把路径添加到结果集中。

(4)选择

什么条件下才把当前元素添加进路径中?

  • 当前元素没有被选择进当前序列
  • 如果和前一个元素值相等,那么只有当前一个元素被选择进序列了,当前元素才会被选择

为什么要求前一个相同值的元素?

“空间状态树”如下图所示,图中 $nums= [1,1,2,2]$

image-20210620132847184

40. 组合总和 II题解中可知,如果两个元素$nums[i-1]、nums[i]$值相等且不在同一层递归中,那么第二个元素可添加进路径中,在40. 组合总和 II的题解中,每层递归都是从$i=idx$开始遍历,所以可以根据 $i!=idx$来判断两个数是否在同一层递归中。

在本题的状态树中,每一层递归都会从数组下标0开始遍历,没有额外参数$idx$,当遍历到下标$i$时,无法知道$nums[i-1]、nums[i]$两者是否在同一层递归中。

但是从图中可以发现另外的关系,来判断$nums[i]$是否可以添加进路径中:

用$D_{i}$表示遍历到元素$nums[i]$,$A_{i}$表示同层递归中的元素$nums[i]$在路径中,$B_{i}$表示不同层递归中的元素$nums[i]$在路径中,$C_{i}$表示可以把元素$nums[i]$添加进路径中。

从状态图中可知,在某一层递归中,从下标0开始遍历到$i$时,同层递归中的元素$nums[i-1]$会从路径中移除,所以必然有:$D_{i} \rightarrow \overline{A_{i}}$,这时有两种情况:

1、如果不同层递归中的元素$nums[i-1]$在路径中,那么可以把当前层递归中的元素$nums[i]$添加进路径,所以有:$B_{i-1} \rightarrow C_{i}$

2、如果不同层递归中的元素$nums[i-1]$不在路径中,说明在遍历到当前层递归中的元素$nums[i-1]$时,所有以$nums[i-1]$开头的排列都已经保存进结果集中,此时如果再把元素$nums[i]$添加进路径,会导致重复排序,不满足题目需要,所以有:$\overline{B_{i-1}} \rightarrow \overline{C_{i}}$

根据上面的两个关系,只需要判断元素$nums[i-1]$不在路径中,就可以跳过元素$nums[i]$。

编码阶段

class Solution {

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = new int[]{1, 1, 2};
        System.out.println("=======" + new Solution().permuteUnique(nums));
    }

    public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
        Arrays.sort(nums);
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();

        List<Integer> path = new ArrayList<>(nums.length);
		// index[i] == true,表示下标 i 处的元素已经被添加进路径
        boolean[] index = new boolean[nums.length];
        Arrays.fill(index, false);

        backtrack(res, path, index, nums);
        return res;
    }

    public void backtrack(List<List<Integer>> res, List<Integer> path, boolean[] index, int[] nums) {
        if (path.size() == nums.length) {
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }

        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (index[i]) {
                continue;
            }
			// 如果和前一个元素值相等,且前一个元素没有被选择,就跳过当前元素
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && !index[i - 1]) {
                continue;
            }

            path.add(nums[i]);
            index[i] = true;

            backtrack(res, path, index, nums);

            path.remove(path.size() - 1);
            index[i] = false;
        }
    }
}

总结阶段

排列与组合不同,每次递归中要从下标0开始遍历数组中的每个元素,对于重复元素,要利用“空间状态树”的特点,根据前一个元素是否在路径中,确定当前元素是否要添加进路径中。