LeetCode 468. 驗證IP地址 - 詳細解析

題目描述

給定一個字符串 queryIP。如果是有效的 IPv4 地址，返回 “IPv4” ；如果是有效的 IPv6 地址，返回 “IPv6” ；如果不是上述類型的 IP 地址，返回 “Neither” 。

IPv4驗證規則：

• 格式：“x1.x2.x3.x4”
• 0 <= xi <= 255
• xi 不能包含前導零（除了"0"本身）

IPv6驗證規則：

• 格式：“x1:x2:x3:x4:x5:x6:x7:x8”
• 1 <= xi.length <= 4
• xi 是十六進制字符串（0-9, a-f, A-F）
• 允許前導零

最優Java解決方案（注釋完整版）

class Solution {public String validIPAddress(String queryIP) {if (queryIP.contains(".")) {return isValidIPV4(queryIP) ? "IPv4" : "Neither";} else if (queryIP.contains(":")) {return isValidIPV6(queryIP) ? "IPv6" : "Neither";} else return "Neither";}boolean isValidIPV4(String ip) {String[] parts = ip.split("\\.", -1);if (parts.length != 4) {return false;}for (String part : parts) {int n = part.length();if (n == 0 || n > 3) { // 針對""和2555的輸入return false;}if (n > 1 && part.startsWith("0")) { // 針對10.01.1.1輸入，前導零return false;}for (char c : part.toCharArray()) { // 針對非數字輸入if (!Character.isDigit(c)) {return false;}}int num = Integer.parseInt(part); // 針對256.0.0.1輸入if (!(num >= 0 && num <= 255)) {return false;}}return true;}boolean isValidIPV6(String ip) {String[] parts = ip.split(":", -1);if (parts.length != 8) {return false;}for (String part : parts) {int n = part.length();if (n == 0 || n > 4) { // 針對空串和11111輸入return false;}for (char c : part.toCharArray()) {// 這里不能替換為Character.isDigit(c)if (!((c >= '0' && c <= '9') ||(c >= 'a' && c <= 'f') ||(c >= 'A' && c <= 'F'))) {return false;}}}return true;}
}

關鍵變量含義及代碼技巧

變量名	含義	作用
queryIP	輸入的待驗證IP字符串	算法的輸入參數
parts	分割后的IP段數組	存儲按".“或”:"分割的各個部分
part	單個IP段字符串	用于驗證每個獨立的IP段
n	IP段的長度	int n = part.length() 提高代碼可讀性
num	IPv4段的整數值	用于檢查IPv4段是否在0-255范圍內
c	字符變量	用于逐字符檢查是否符合格式要求

代碼技巧詳解

1. 前導零檢查的最佳實踐

if (n > 1 && part.startsWith("0")) { // 針對10.01.1.1輸入，前導零return false;
}

為什么用 startsWith("0") 而不是 charAt(0) == '0'？

• 更語義化，表達"以0開頭"的意圖更清晰
• startsWith() 內部已經做了邊界檢查，更安全

2. IPv6為什么不能用Character.isDigit()

// 這里不能替換為Character.isDigit(c)
if (!((c >= '0' && c <= '9') ||(c >= 'a' && c <= 'f') ||(c >= 'A' && c <= 'F'))) {return false;
}

原因分析：

• Character.isDigit(c) 只檢查數字字符(0-9)
• IPv6需要十六進制字符：數字(0-9) + 字母(a-f, A-F)
• 必須手動檢查三個范圍：數字、小寫字母、大寫字母

3. 針對性注釋設計

代碼中的注釋都標明了具體要處理的邊界情況：

• // 針對""和2555的輸入 → 長度檢查
• // 針對10.01.1.1輸入，前導零 → 前導零檢查
• // 針對非數字輸入 → 字符合法性檢查
• // 針對256.0.0.1輸入 → 數值范圍檢查
• // 針對空串和11111輸入 → IPv6長度檢查

算法核心思路

1. 預判斷：通過檢查是否包含".“或”:"來初步判斷IP類型
2. 分割驗證：將IP按分隔符分割成段，驗證段數是否正確
3. 逐段檢查：對每個段進行格式和數值范圍驗證
4. 字符級驗證：確保每個字符都符合對應IP類型的要求

可視化演示過程

測試用例1：有效IPv4 - “172.16.254.1”（優化版演示）

步驟1：初步判斷
queryIP = "172.16.254.1"
包含"." ? → 進入IPv4驗證步驟2：分割并長度檢查
parts = ["172", "16", "254", "1"]
parts.length = 4 ? → 段數正確，繼續驗證步驟3：逐段內聯驗證
part[0] = "172"
├── 長度檢查: 3 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 首字符'1' ≠ '0' ?
├── 字符檢查: '1','7','2' 全為數字 ?
└── 數值檢查: Integer.parseInt("172") = 172 ≤ 255 ?part[1] = "16"
├── 長度檢查: 2 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 首字符'1' ≠ '0' ?
├── 字符檢查: '1','6' 全為數字 ?
└── 數值檢查: Integer.parseInt("16") = 16 ≤ 255 ?part[2] = "254"
├── 長度檢查: 3 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 首字符'2' ≠ '0' ?
├── 字符檢查: '2','5','4' 全為數字 ?
└── 數值檢查: Integer.parseInt("254") = 254 ≤ 255 ?part[3] = "1"
├── 長度檢查: 1 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 長度=1，無需檢查 ?
├── 字符檢查: '1' 為數字 ?
└── 數值檢查: Integer.parseInt("1") = 1 ≤ 255 ?結果：返回 "IPv4"

測試用例2：有效IPv6 - “2001:0db8:85a3:0:0:8A2E:0370:7334”（優化版演示）

步驟1：初步判斷
queryIP = "2001:0db8:85a3:0:0:8A2E:0370:7334"
不包含"." 但包含":" ? → 進入IPv6驗證步驟2：分割并長度檢查
parts = ["2001", "0db8", "85a3", "0", "0", "8A2E", "0370", "7334"]
parts.length = 8 ? → 段數正確，繼續驗證步驟3：逐段內聯驗證
part[0] = "2001"
├── 長度檢查: 4 ≤ 4 ?
└── 內聯十六進制檢查:│ '2': '0'≤'2'≤'9' ?│ '0': '0'≤'0'≤'9' ?│ '0': '0'≤'0'≤'9' ?│ '1': '0'≤'1'≤'9' ?part[1] = "0db8"
├── 長度檢查: 4 ≤ 4 ?
└── 內聯十六進制檢查:│ '0': '0'≤'0'≤'9' ?│ 'd': 'a'≤'d'≤'f' ?│ 'b': 'a'≤'b'≤'f' ?│ '8': '0'≤'8'≤'9' ?part[5] = "8A2E"
├── 長度檢查: 4 ≤ 4 ?
└── 內聯十六進制檢查:│ '8': '0'≤'8'≤'9' ?│ 'A': 'A'≤'A'≤'F' ?│ '2': '0'≤'2'≤'9' ?│ 'E': 'A'≤'E'≤'F' ?... (其他段類似驗證) ...結果：返回 "IPv6"

測試用例3：無效IPv4（前導零）- “192.168.01.1”（優化版演示）

步驟1：初步判斷
queryIP = "192.168.01.1"
包含"." ? → 進入IPv4驗證步驟2：分割并長度檢查
parts = ["192", "168", "01", "1"]
parts.length = 4 ? → 段數正確，繼續驗證步驟3：逐段內聯驗證
part[0] = "192" ? (驗證通過)
part[1] = "168" ? (驗證通過)
part[2] = "01"
├── 長度檢查: 2 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 長度>1 且 首字符='0' ?
└── 立即返回false，無需進行后續計算結果：返回 "Neither"

測試用例4：無效IPv4（超出范圍）- “256.256.256.256”（優化版演示）

步驟1：初步判斷
queryIP = "256.256.256.256"
包含"." ? → 進入IPv4驗證步驟2：分割并長度檢查
parts = ["256", "256", "256", "256"]
parts.length = 4 ? → 段數正確，繼續驗證步驟3：逐段內聯驗證
part[0] = "256"
├── 長度檢查: 3 ≤ 3 ?
├── 前導零檢查: 首字符'2' ≠ '0' ?
├── 字符檢查: '2','5','6' 全為數字 ?
└── 數值檢查: Integer.parseInt("256") = 256 > 255 ?結果：返回 "Neither"

測試用例5：無效IPv6（段過長）- “02001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334”

步驟1：初步判斷
queryIP = "02001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334"
不包含"." 但包含":" ? → 可能是IPv6步驟2：分割IP
parts = ["02001", "0db8", "85a3", "0000", "0000", "8a2e", "0370", "7334"]
parts.length = 8 ? → 段數正確步驟3：逐段驗證
part[0] = "02001"
├── 長度檢查: 5 > 4 ?
└── 驗證失敗！結果：返回 "Neither"

測試用例6：無效格式（非法字符）- “192.168@1.1”

步驟1：初步判斷
queryIP = "192.168@1.1"
包含"." ? → 可能是IPv4步驟2：分割IP
parts = ["192", "168@1", "1"]
parts.length = 3 ≠ 4 ?結果：返回 "Neither"

算法復雜度分析

• 時間復雜度：O(n)，其中n是字符串長度。需要遍歷整個字符串進行分割和驗證
• 空間復雜度：O(1)，除了存儲分割后的段數組，不需要額外空間

關鍵技術點詳解

String的isEmpty() vs isBlank()方法對比

在IP驗證中，我們經常需要檢查字符串是否為空，了解這兩個方法的區別很重要：

方法	作用	Java版本	檢查內容
isEmpty()	檢查長度是否為0	Java 6+	只檢查 length() == 0
isBlank()	檢查是否為空或只有空白字符	Java 11+	檢查 isEmpty() || 全為空白字符

詳細對比示例：

String str1 = "";           // 空字符串
String str2 = " ";          // 一個空格
String str3 = "  \t\n ";    // 多個空白字符(空格、制表符、換行符)
String str4 = " a ";        // 包含非空白字符
String str5 = null;         // null值// isEmpty() 結果：
str1.isEmpty()  → true   ? (長度為0)
str2.isEmpty()  → false  ? (長度為1)
str3.isEmpty()  → false  ? (長度為4)
str4.isEmpty()  → false  ? (長度為3)
// str5.isEmpty() → NullPointerException!// isBlank() 結果 (Java 11+)：
str1.isBlank()  → true   ? (長度為0)
str2.isBlank()  → true   ? (只有空白字符)
str3.isBlank()  → true   ? (只有空白字符)
str4.isBlank()  → false  ? (包含非空白字符)
// str5.isBlank() → NullPointerException!

在IP驗證中的應用：

// 檢查IP段是否為空的不同方式
private boolean isValidIPv4Part(String part) {// 方式1：直接檢查長度（推薦）if (part.length() == 0) return false;// 方式2：使用isEmpty()（等效）if (part.isEmpty()) return false;// 方式3：使用isBlank()（Java 11+，更嚴格）if (part.isBlank()) return false; // 會拒絕 " " 這樣的空格段// ... 其他驗證邏輯
}

安全的null檢查：

// 推薦的安全檢查方式
public static boolean isNullOrEmpty(String str) {return str == null || str.isEmpty();
}public static boolean isNullOrBlank(String str) {return str == null || str.isBlank(); // Java 11+
}

split() 方法的 limit 參數

String[] parts = ip.split("\\.", -1);

split(regex, limit) 中的 limit 參數控制分割行為：

limit值	行為	示例
limit > 0	最多分割成limit個部分	"a.b.c".split("\\.", 2) → ["a", "b.c"]
limit = 0	默認行為，移除尾部空字符串	"a.b.".split("\\.") → ["a", "b"]
limit < 0	保留所有空字符串（包括尾部）	"a.b.".split("\\.", -1) → ["a", "b", ""]

為什么IP驗證必須用 -1？

// 測試案例對比
String ip1 = "192.168.1.";     // 末尾多點號
String ip2 = "192..168.1";     // 連續點號// 不使用-1 (默認行為)
ip1.split("\\.")    → ["192", "168", "1"]     // 長度=3，錯誤！應該是4段
ip2.split("\\.")    → ["192", "", "168", "1"] // 長度=4，但漏掉了空段檢測// 使用-1 (正確行為)  
ip1.split("\\.", -1) → ["192", "168", "1", ""] // 長度=4，能檢測到末尾空段
ip2.split("\\.", -1) → ["192", "", "168", "1"] // 長度=4，能檢測到中間空段

代碼優化技巧總結

1. 關鍵的 split(-1)：確保捕獲所有邊界情況，包括末尾和中間的空段
2. 長度預判斷：直接檢查分割后數組長度，不符合直接返回false
3. 語義化變量命名：使用 int n = part.length() 提高代碼可讀性
4. 語義化方法調用：使用 part.startsWith("0") 替代 part.charAt(0) == '0'
5. 詳細的針對性注釋：每個檢查都注明具體處理的邊界情況
6. 精確的字符范圍檢查：IPv6手動檢查三個字符范圍，不使用Character.isDigit()
7. 清晰的條件表達式：使用 !(num >= 0 && num <= 255) 明確表達范圍檢查

代碼優勢對比

優化項	傳統寫法	當前實現	優勢說明
變量命名	part.length() 重復調用	int n = part.length()	提高可讀性，減少重復計算
前導零檢查	part.charAt(0) == '0'	part.startsWith("0")	語義更清晰，表達意圖更直接
注釋設計	簡單功能注釋	針對性邊界情況注釋	明確每個檢查要處理的具體問題
字符范圍檢查	使用庫函數或正則	手動三范圍檢查	IPv6需求下更精確，避免誤判
條件表達式	num < 0 || num > 255	!(num >= 0 && num <= 255)	邏輯更直觀，表達"不在范圍內"
長度預檢查	在循環中檢查	預先檢查數組長度	提早退出，避免無效處理

常見陷阱

1. 忘記檢查前導零（IPv4）
2. 未正確處理空段（如連續分隔符）
3. 字符范圍檢查不全面（IPv6的大小寫字母）
4. 數值范圍檢查遺漏邊界值