LeetCode 211 - 添加与搜索单词-数据结构设计（Design Add and Search Words Data Structure）

问题描述

请你设计一个数据结构，支持添加新单词和查找字符串是否与任何先前添加的字符串匹配。

实现词典类 WordDictionary：

WordDictionary() 初始化词典对象
void addWord(word) 将 word 添加到数据结构中，之后可以对它进行匹配
bool search(word) 如果数据结构中存在字符串与 word 匹配，则返回 true；否则，返回 false。word 中可能包含一些 '.'，每个 '.' 都可以表示任何一个字母。

示例

输入：
["WordDictionary","addWord","addWord","addWord","search","search","search","search"]
[[],["bad"],["dad"],["mad"],["pad"],["bad"],[".ad"],["b.."]]

输出：
[null,null,null,null,false,true,true,true]

解释：
WordDictionary wordDictionary = new WordDictionary();
wordDictionary.addWord("bad");
wordDictionary.addWord("dad");
wordDictionary.addWord("mad");
wordDictionary.search("pad"); // 返回 False
wordDictionary.search("bad"); // 返回 True
wordDictionary.search(".ad"); // 返回 True
wordDictionary.search("b.."); // 返回 True

约束条件

1 <= word.length <= 25
addWord 中的 word 由小写英文字母组成
search 中的 word 由 '.' 或小写英文字母组成
最多调用 10^4 次 addWord 和 search

解题思路

这道题需要实现一个支持通配符搜索的字典数据结构。核心思路是使用字典树(Trie)存储单词，并用深度优先搜索(DFS)处理通配符匹配。

关键洞察

字典树适合前缀匹配：Trie的每个节点表示一个字符，从根到叶子的路径构成完整单词
通配符需要递归处理：遇到 '.' 时，需要尝试所有可能的字符分支
状态记录很重要：每个节点需要标记是否为单词结尾

算法步骤

1. 数据结构设计

1
2
3

TrieNode 结构：
├── children[26]  // 26个小写字母的子节点
└── isEnd        // 标记是否为单词结尾

2. AddWord 操作

从根节点开始遍历待添加的单词
对每个字符，计算其在children数组中的索引：index = char - 'a'
如果对应子节点不存在，创建新节点
移动到子节点，继续处理下一个字符
单词结束时，标记当前节点的 isEnd = true

3. Search 操作（核心难点）

使用递归DFS处理两种情况：

普通字符：

直接沿着对应的子节点路径继续搜索

通配符 ‘.’：

遍历当前节点的所有非空子节点
对每个子节点递归调用搜索函数
只要有一个分支返回true，整个搜索就成功

实现细节

DFS递归函数设计

func dfs(node *TrieNode, word string, index int) bool {
    // 边界条件检查
    if node == nil {
        return false
    }
    
    // 搜索完成，检查是否为单词结尾
    if index >= len(word) {
        return node.isEnd
    }
    
    // 处理通配符
    if word[index] == '.' {
        // 尝试所有可能的字符
        for i := range node.children {
            if dfs(node.children[i], word, index+1) {
                return true
            }
        }
        return false
    }
    
    // 处理普通字符
    return dfs(node.children[word[index]-'a'], word, index+1)
}

算法执行示例

以搜索 ".ad" 为例（假设字典中有 “bad”, “dad”, “mad”）：

1. dfs(root, ".ad", 0)
   ├── word[0] = '.' → 遍历所有子节点
   ├── dfs(node_b, ".ad", 1) → 搜索 "ad"
   │   └── word[1] = 'a' → 进入node_a
   │       └── word[2] = 'd' → 进入node_d
   │           └── index=3, node_d.isEnd=true → 返回true
   └── 找到匹配，返回true

代码实现

type WordDictionary struct {
    root *TrieNode
}

type TrieNode struct {
    children [26]*TrieNode // 只针对小写字母 a-z
    isEnd    bool          // 标记单词结束
}

func Constructor() WordDictionary {
    return WordDictionary{
        root: &TrieNode{},
    }
}

func (this *WordDictionary) AddWord(word string) {
    node := this.root
    for _, ch := range word {
        index := ch - 'a' // 将字符映射到0-25的索引
        if node.children[index] == nil {
            node.children[index] = &TrieNode{}
        }
        node = node.children[index]
    }
    node.isEnd = true // 标记单词结束
}

func (this *WordDictionary) Search(word string) bool {
    var dfs func(node *TrieNode, index int) bool
    
    dfs = func(node *TrieNode, index int) bool {
        if node == nil {
            return false
        }
        if index >= len(word) {
            return node.isEnd
        }
        
        if word[index] == '.' {
            // 尝试所有可能的字符分支
            for i := range node.children {
                if dfs(node.children[i], index+1) {
                    return true
                }
            }
            return false
        }
        
        // 普通字符，直接沿着对应路径搜索
        return dfs(node.children[word[index]-'a'], index+1)
    }
    
    return dfs(this.root, 0)
}

复杂度分析

时间复杂度

AddWord操作：$O(m)$

其中 $m$ 是单词长度
需要遍历单词的每个字符

Search操作：

最好情况：$O(m)$ - 无通配符时
最坏情况：$O(26^k \cdot m)$ - 其中 $k$ 是通配符数量
通配符会导致指数级的搜索分支

空间复杂度

$O(ALPHABET_SIZE \times N \times M)$

$ALPHABET_SIZE = 26$（小写字母数量）
$N$ 是单词总数
$M$ 是平均单词长度
Trie的空间消耗取决于单词的公共前缀

方法比较

方面	Trie + DFS	哈希表 + 暴力搜索
时间复杂度	AddWord: O(m)	AddWord: O(1)
	Search: O(26^k×m)	Search: O(N×m)
空间复杂度	O(26×N×M)	O(N×M)
通配符支持	★★★★★	★★☆☆☆
实现复杂度	★★★☆☆	★★★★☆
前缀查询	★★★★★	★☆☆☆☆

关键收获

Trie适合字符串前缀操作：对于涉及字符串前缀匹配的问题，Trie通常是最佳选择
递归处理分支逻辑：通配符问题常需要递归探索多个可能的路径
状态标记的重要性：isEnd 标记确保只有完整单词才能匹配成功
优化搜索策略：可以考虑剪枝优化，比如提前终止无效分支

常见陷阱

忘记检查 isEnd：搜索到单词结尾时必须验证是否为有效单词
边界条件处理：空节点和索引越界需要正确处理
通配符逻辑错误：需要遍历所有可能的子节点，而不是第一个找到的

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