Question

题目：请实现一个函数，把字符串中的每个空格替换成"%20"。例如输入We are happy.，则输出We%20are%20happy.。

在网络编程中，如果URL参数中含有特殊字符，如空格、'#'等，可能导致服务器端无法获得正确的参数值。我们需要将这些特殊符号转换成服务器可以识别的字符。转换的规则是在'%'后面跟上ASCII码的两位十六进制的表示。比如空格的ASCII码是32，即十六进制的0x20，因此空格被替换成"%20"。再比如'#'的ASCII码为35，即十六进制的0x23，它在URL中被替换为"%23"。

看到这个题目，我们首先应该想到的是原来一个空格字符，替换之后变成'%'、'2'和'0'这3个字符，因此字符串会变长。如果是在原来的字符串上做替换，那么就有可能覆盖修改在该字符串后面的内存。如果是创建新的字符串并在新的字符串上做替换，那么我们可以自己分配足够多的内存。由于有两种不同的解决方案，我们应该向面试官问清楚，让他明确告诉我们他的需求。假设面试官让我们在原来的字符串上做替换，并且保证输入的字符串后面有足够多的空余内存。

时间复杂度为O（n²）的解法，不足以拿到Offer

现在我们考虑怎么做替换操作。最直观的做法是从头到尾扫描字符串，每一次碰到空格字符的时候做替换。由于是把1个字符替换成3个字符，我们必须要把空格后面所有的字符都后移两个字节，否则就有两个字符被覆盖了。

举个例子，我们从头到尾把"We are happy."中的每一个空格替换成"%20"。为了形象起见，我们可以用一个表格来表示字符串，表格中的每个格子表示一个字符（如图2.3（a）所示）。

图2.3　从前往后把字符串中的空格替换成'%20'的过程

注：（a）字符串"We are happy."。（b）把字符串中的第一个空格替换成'%20'。灰色背景表示需要移动的字符。（c）把字符串中的第二个空格替换成'%20'。浅灰色背景表示需要移动一次的字符，深灰色背景表示需要移动两次的字符。

我们替换第一个空格，这个字符串变成图2.3（b）中的内容，表格中灰色背景的格子表示需要做移动的区域。接着我们替换第二个空格，替换之后的内容如图2.3（c）所示。同时，我们注意到用深灰色背景标注的"happy"部分被移动了两次。

假设字符串的长度是n。对每个空格字符，需要移动后面O（n）个字符，因此对含有O（n）个空格字符的字符串而言总的时间效率是O（n²）。

当我们把这种思路阐述给面试官后，他不会就此满意，他将让我们寻找更快的方法。在前面的分析中，我们发现数组中很多字符都移动了很多次，能不能减少移动次数呢？答案是肯定的。我们换一种思路，把从前向后替换改成从后向前替换。

时间复杂度为O（n）的解法，搞定Offer就靠它了

我们可以先遍历一次字符串，这样就能统计出字符串中空格的总数，并可以由此计算出替换之后的字符串的总长度。每替换一个空格，长度增加2，因此替换以后字符串的长度等于原来的长度加上2乘以空格数目。我们还是以前面的字符串"We are happy."为例，"We are happy."这个字符串的长度是14（包括结尾符号'\0'），里面有两个空格，因此替换之后字符串的长度是18。

我们从字符串的后面开始复制和替换。首先准备两个指针，P1和P2。P1指向原始字符串的末尾，而P2指向替换之后的字符串的末尾（如图2.4（a）所示）。接下来我们向前移动指针P1，逐个把它指向的字符复制到P2指向的位置，直到碰到第一个空格为止。此时字符串包含如图2.4（b）所示，灰色背景的区域是做了字符拷贝（移动）的区域。碰到第一个空格之后，把P1向前移动1格，在P2之前插入字符串"%20"。由于"%20"的长度为3，同时也要把P2向前移动3格如图2.4（c）所示。

我们接着向前复制，直到碰到第二个空格（如图2.4（d）所示）。和上一次一样，我们再把P1向前移动1格，并把P2向前移动3格插入"%20"（如图2.4（e）所示）。此时P1和P2指向同一位置，表明所有空格都已经替换完毕。

图2.4　从后往前把字符串中的空格替换成%20的过程

注：图中带有阴影的区域表示被移动的字符。（a）把第一个指针指向字符串的末尾，把第二个指针指向替换之后的字符串的末尾。（b）依次复制字符串的内容，直至第一个指针碰到第一个空格。（c）把第一个空格替换成'%20'，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。（d）依次向前复制字符串中的字符，直至碰到空格。（e）替换字符串中的倒数第二个空格，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。

从上面的分析我们可以看出，所有的字符都只复制（移动）一次，因此这个算法的时间效率是O（n），比第一个思路要快。

在面试的过程中，我们也可以和前面的分析一样画一两个示意图解释自己的思路，这样既能帮助我们理清思路，也能使我们和面试官的交流变得更加高效。在面试官肯定我们的思路之后，就可以开始写代码了。下面是参考代码：

源代码：

本题完整的源代码详见04_ReplaceBlank项目。

测试用例：

- 输入的字符串中包含空格（空格位于字符串的最前面，空格位于字符串的最后面，空格位于字符串的中间，字符串中有连续多个空格）。

- 输入的字符串中没有空格。

- 特殊输入测试（字符串是个NULL指针、字符串是个空字符串、字符串只有一个空格字符、字符串中只有连续多个空格）。

本题考点：

- 考查对字符串的编程能力。

- 考查分析时间效率的能力。我们要能清晰地分析出两种不同方法的时间效率各是多少。

- 考查对内存覆盖是否有高度的警惕。在分析得知字符串会变长之后，我们能够意识到潜在的问题，并主动和面试官沟通以寻找问题的解决方案。

- 考查思维能力。在从前到后替换的思路被面试官否定之后，我们能迅速想到从后往前替换的方法，这是解决此题的关键。

相关题目：

有两个排序的数组A1和A2，内存在A1的末尾有足够多的空余空间容纳A2。请实现一个函数，把A2中的所有数字插入到A1中并且所有的数字是排序的。

和前面的例题一样，很多人首先想到的办法是在A1中从头到尾复制数字，但这样就会出现多次复制一个数字的情况。更好的办法是从尾到头比较A1和A2中的数字，并把较大的数字复制到A1的合适位置。

举一反三：

合并两个数组（包括字符串）时，如果从前往后复制每个数字（或字符）需要重复移动数字（或字符）多次，那么我们可以考虑从后往前复制，这样就能减少移动的次数，从而提高效率。