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[数据结构与算法]LeetCode 题集:链表(一)

本文介绍 LeetCode 题集中,有关链表的问题。


141. Linked List Cycle(环形链表)


问题描述

LeetCode 141 问题描述 I
LeetCode 141 问题描述 II

思路与代码


本题通过快慢指针追及问题的思路来解决。

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        fast, slow = head, head
        while fast and fast.next:
            fast = fast.next.next
            slow = slow.next
            if fast == slow:
                return True

        return False

运行效果:
LeetCode 141 运行效果

上述代码为二倍速的追及,实际上快指针的速度可以为慢指针的任何倍数。

三倍速的代码:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        fast, slow = head, head
        while fast and fast.next and fast.next.next:
            fast = fast.next.next.next
            slow = slow.next
            if fast == slow:
                return True

        return False

四倍速的代码:

class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        fast, slow = head, head
        while fast and fast.next and fast.next.next and fast.next.next.next:
            fast = fast.next.next.next.next
            slow = slow.next
            if fast == slow:
                return True

        return False

运行效果并无明显差异。


142. Linked List Cycle II(环形链表 II)


问题描述

LeetCode 142 问题描述 I
LeetCode 142 问题描述 II

思路与代码


参考官方题解,本题有哈希表和快慢指针两种方法。

LeetCode 142 官方题解

哈希表的方法相对容易理解:

LeetCode 142 官方题解 1
LeetCode 142 官方题解 2

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def detectCycle(self, head: ListNode) -> ListNode:
        set_visit = set()
        set_visit.add(head)
        while head:
            if not head.next:
                return None

            if head.next in set_visit:
                return head.next
            else:
                set_visit.add(head.next)
                head = head.next

运行效果:
LeetCode 142 运行效果 1

快慢指针法相对复杂:

LeetCode 142 快慢指针法

快指针的速度为慢指针的 2 倍,当快慢指针相遇时,新定义一个指针指向起点,新指针与慢指针同时向前移动,速度相同,最终两者在入环点相遇。数学推导如下:

设快慢指针相遇时,慢指针在环中转了 k 1 k_1 k1? 圈,快指针转了 k 2 k_2 k2? 圈,故有:
( a + k 1 ? b + c ) ? 2 = a + k 2 ? b + c ? a = ( k 2 ? 2 ? k 1 ) ? b ? c (a + k_1 \cdot b + c) \cdot 2 = a + k_2 \cdot b + c \\ \ \\ a = (k_2 - 2 \cdot k_1) \cdot b - c (a+k1??b+c)?2=a+k2??b+c?a=(k2??2?k1?)?b?c

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def detectCycle(self, head: ListNode) -> ListNode:
        fast, slow = head, head
        while fast and slow:
            if fast.next:
                fast = fast.next.next
            else:
                return None
            slow = slow.next

            if fast == slow:
                tmp = head
                while tmp != slow:
                    tmp = tmp.next
                    slow = slow.next
                return tmp

        return None

运行效果:
LeetCode 142 运行效果 2


206. Reverse Linked List(反转链表)


问题描述

LeetCode 206 问题描述 I
LeetCode 206 问题描述 II

思路与代码


本题有迭代法和递归法两种方法。

迭代法的思路比较简单,定义一个 pre 节点表示前一个节点,循环迭代即可。

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseList(self, head: ListNode) -> ListNode:
        if not head or not head.next:
            return head

        pre = None  # initialise pre
        while head:
            tmp = head.next  # store head.next since head will change soon
            head.next = pre  # change head.next to pre
            pre = head  # pre move to head
            head = tmp  # head move to head.next using tmp

        return pre

运行效果:
LeetCode 206 运行效果 1

递归法理解起来有点麻烦,可以参考下面题解中的动图:

题解-递归动图

LeetCode 链表 注意

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseList(self, head: ListNode) -> ListNode:
        def rec(node: ListNode):
            if not node or not node.next:
                return node

            node_new = rec(node=node.next)  # deepest invocation: return the tail as head after reversing
            node.next.next = node  # next of node.next point to current node
            node.next = None  # next of node set to None, will reset during pre recursion
            return node_new

        return rec(node=head)

运行效果:
LeetCode 206 运行效果 2


92. Reverse Linked List II(反转链表 II)


问题描述

LeetCode 92 问题描述 I
LeetCode 92 问题描述 II

思路与代码


本题是前一题的变体,可以调用前一题的反转函数,完成片段内的反转,对于片段外的头尾部分拼接到反转后的片段前后即可。

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseBetween(self, head: ListNode, left: int, right: int) -> ListNode:
        def reverse_linked_list(head: ListNode):  # LeetCode 206, iteration type
            pre = None
            cur = head
            while cur:
                next = cur.next
                cur.next = pre
                pre = cur
                cur = next

        # use dummy node to store the head
        dummy = ListNode(-1)
        dummy.next = head
        pre = dummy

        # get the node before the left node
        for _ in range(left - 1):
            pre = pre.next

        # get the right node
        right_node = pre
        for _ in range(right - left + 1):
            right_node = right_node.next

        left_node = pre.next  # the left node
        curr = right_node.next  # next node of the right node

        # cut off the period
        pre.next = None
        right_node.next = None

        # reverse the period
        reverse_linked_list(left_node)

        # join back to the head and tail
        pre.next = right_node
        left_node.next = curr

        return dummy.next

运行效果:
LeetCode 92 运行效果


24. Swap Nodes in Pairs(两两交换链表中的节点)


问题描述

LeetCode 24 问题描述 I
LeetCode 24 问题描述 II

思路与代码


本题的思路与前两题相似,定义两个指针(节点),依次对每对节点进行反转,然后将指针向前移动两位,循环迭代即可。

代码如下:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def swapPairs(self, head: ListNode) -> ListNode:
        dummy = ListNode(val=-1)
        dummy.next = head
        pre = dummy
        while pre.next and pre.next.next:
            first, second = pre.next, pre.next.next
            first.next = second.next
            second.next = first
            pre.next = second
            pre = first  # pre, move 2 steps to next couple

        return dummy.next

运行效果:
LeetCode 24 运行效果

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加:2021-11-09 19:49:07  更:2021-11-09 19:52:42 
 
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