[LeetCode] 链表完整版 — 虚拟头结点 | 基本操作 | 双指针法 | 递归
链表
- 基础知识
- 虚拟头结点
- 203# 移除链表元素(可递归)
- 24# 两两交换链表中的节点(可递归)
- 链表基本操作
- 707# 设计链表
- 单链表
- 双链表
- 双指针法
- 206# 反转链表(可递归)
- 19# 删除链表的倒数第N个结点
- 面试题02.07.# 链表相交
- 142# 环形链表II
- 补充知识:递归
- 汉诺塔
基础知识
链表适用于数据量不固定,频繁增删,较少查询的场景
一种通过指针串联在一起的线性结构,分散存储
每一个节点由两部分组成:数据域和指针域(存放指向下一个节点的指针),最后一个节点的指针域指向NULL(空指针)
单链表:
struct ListNode {
int val;
ListNode *next;
ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
}
双链表:每一个节点有两个指针域,一个指向下一个节点,一个指向上一个节点
循环链表:首尾相连,可以用来解决约瑟夫环问题
虚拟头结点
设置一个虚拟头结点,统一头结点和其他结点的操作,适用于必须要找当前结点的前一个结点的操作
203# 移除链表元素(可递归)
给你一个链表的头节点
head
和一个整数val
,请你删除链表中所有满足Node.val == val
的节点,并返回 新的头节点 。示例 1:
输入:head = [1,2,6,3,4,5,6], val = 6 输出:[1,2,3,4,5]
示例 2:
输入:head = [], val = 1 输出:[]
示例 3:
输入:head = [7,7,7,7], val = 7 输出:[]
提示:
- 列表中的节点数目在范围
[0, 10^4]
内1 <= Node.val <= 50
0 <= val <= 50
// 设置虚拟头结点
// O(n) 0ms; O(1) 19.81MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
* ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
* ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
ListNode* dummyHead = new ListNode(0, head);
ListNode* ptr = dummyHead;
while (ptr->next !=NULL) {
if (ptr->next->val == val) {
ListNode* tmp = ptr->next;
ptr->next = ptr->next->next;
delete tmp;
} else {
ptr = ptr->next;
}
}
head = dummyHead->next;
delete dummyHead;
return head;
}
};
递归法:首先检查头节点的值是否为 val,如果是则移除头节点,答案即为在头节点的后续节点上递归的结果
// 递归法
// O(n) 0ms; O(n) 20.68MB
class Solution {
public:
ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
if (head == nullptr) {
return head;
}
if (head->val == val) {
ListNode* tmp = head;
head = removeElements(head->next, val);
delete tmp;
} else {
head->next = removeElements(head->next, val);
}
return head;
}
};
// 力扣官方递归
class Solution {
public:
ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
if (head == nullptr) {
return head;
}
head->next = removeElements(head->next, val);
return head->val == val ? head->next : head;
}
空间复杂度主要取决于递归调用栈,最多不会超过 n 层
24# 两两交换链表中的节点(可递归)
给你一个链表,两两交换其中相邻的节点,并返回交换后链表的头节点。你必须在不修改节点内部的值的情况下完成本题(即,只能进行节点交换)。
示例 1:
输入:head = [1,2,3,4] 输出:[2,1,4,3]
示例 2:
输入:head = [] 输出:[]
示例 3:
输入:head = [1] 输出:[1]
提示:
- 链表中节点的数目在范围
[0, 100]
内0 <= Node.val <= 100
使用虚拟头结点,不需要每次交换针对头结点单独处理
// 设置虚拟头结点
// O(n) 0ms; O(1) 11.04MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
* ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
* ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode* swapPairs(ListNode* head) {
ListNode *dummyHead = new ListNode(0);
dummyHead->next = head;
ListNode *cur = dummyHead;
while (cur->next && cur->next->next) {
ListNode* tmp = cur->next; // 临时起点
ListNode* postNode = tmp->next->next;
cur->next = cur->next->next;
cur->next->next = tmp;
tmp->next = postNode;
cur = tmp;
}
ListNode *result = dummyHead->next;
delete dummyHead;
return result;
}
};
// 递归法
// O(n) 0ms; O(n) 10.87MB
class Solution {
public:
ListNode* swapPairs(ListNode* head) {
if (!head || !head->next) return head;
ListNode *swapNode = head->next;
head->next = swapPairs(head->next->next);
swapNode->next = head;
return swapNode;
}
};
链表基本操作
707# 设计链表
你可以选择使用单链表或者双链表,设计并实现自己的链表。
单链表中的节点应该具备两个属性:
val
和next
。val
是当前节点的值,next
是指向下一个节点的指针/引用。如果是双向链表,则还需要属性
prev
以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点下标从 0 开始。实现
MyLinkedList
类:
MyLinkedList()
初始化MyLinkedList
对象。int get(int index)
获取链表中下标为index
的节点的值。如果下标无效,则返回-1
。void addAtHead(int val)
将一个值为val
的节点插入到链表中第一个元素之前。在插入完成后,新节点会成为链表的第一个节点。void addAtTail(int val)
将一个值为val
的节点追加到链表中作为链表的最后一个元素。void addAtIndex(int index, int val)
将一个值为val
的节点插入到链表中下标为index
的节点之前。如果index
等于链表的长度,那么该节点会被追加到链表的末尾。如果index
比长度更大,该节点将 不会插入 到链表中。void deleteAtIndex(int index)
如果下标有效,则删除链表中下标为index
的节点。示例:
输入 ["MyLinkedList", "addAtHead", "addAtTail", "addAtIndex", "get", "deleteAtIndex", "get"] [[], [1], [3], [1, 2], [1], [1], [1]] 输出 [null, null, null, null, 2, null, 3] 解释 MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList(); myLinkedList.addAtHead(1); myLinkedList.addAtTail(3); myLinkedList.addAtIndex(1, 2); // 链表变为 1->2->3 myLinkedList.get(1); // 返回 2 myLinkedList.deleteAtIndex(1); // 现在,链表变为 1->3 myLinkedList.get(1); // 返回 3
提示:
0 <= index, val <= 1000
- 请不要使用内置的 LinkedList 库。
- 调用
get
、addAtHead
、addAtTail
、addAtIndex
和deleteAtIndex
的次数不超过2000
。
定义size
成员变量,便于处理
单链表
// 单链表
// 5ms; 25.44MB
// 所有函数的单次调用空间复杂度均为 O(1),总体空间复杂度为 O(n)
class MyLinkedList {
private:
int _size;
ListNode* _dummyHead; // 虚拟头结点
public:
// O(1)
MyLinkedList() {
_size = 0;
_dummyHead = new ListNode(0);
}
// O(index)
int get(int index) {
if (index < 0 || index >= _size) return -1;
ListNode* cur = _dummyHead->next;
while (index--) {
cur = cur->next;
}
return cur->val;
}
// O(1)
void addAtHead(int val) {
ListNode* newNode = new ListNode(val);
newNode->next = _dummyHead->next;
_dummyHead->next = newNode;
_size++;
}
// O(n)
void addAtTail(int val) {
ListNode* newNode = new ListNode(val);
ListNode* cur = _dummyHead;
while (cur->next != nullptr) {
cur = cur->next;
}
cur->next = newNode;
_size++;
}
// O(index)
void addAtIndex(int index, int val) {
if (index > _size) return;
if (index < 0) index = 0;
ListNode* newNode = new ListNode(val);
ListNode* cur = _dummyHead;
while (index--) {
cur = cur->next;
}
newNode->next = cur->next;
cur->next = newNode;
_size++;
}
// O(index)
void deleteAtIndex(int index) {
if (index >= _size || index < 0) return;
ListNode* cur = _dummyHead;
while (index--) {
cur = cur->next;
}
ListNode* tmp = cur->next;
cur->next = tmp->next;
delete tmp;
// delete命令指示释放了tmp指针原本所指的那部分内存,
// 被delete后的指针tmp的值(地址)并非就是NULL,而是随机值。也就是被delete后,
// 如果不再加上一句tmp=nullptr,tmp会成为乱指的野指针
// 如果之后的程序不小心使用了tmp,会指向难以预想的内存空间
tmp = nullptr;
_size--;
}
};
/**
* Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
* MyLinkedList* obj = new MyLinkedList();
* int param_1 = obj->get(index);
* obj->addAtHead(val);
* obj->addAtTail(val);
* obj->addAtIndex(index,val);
* obj->deleteAtIndex(index);
*/
双链表
// 双链表
// 0ms; 25.68MB
// 所有函数的单次调用空间复杂度均为 O(1),总体空间复杂度为 O(n)
struct DLinkListNode {
int val;
DLinkListNode *prev, *next;
DLinkListNode(int _val) : val(_val), prev(nullptr), next(nullptr) {}
};
class MyLinkedList {
private:
int _size;
DLinkListNode* _sentinelNode; // 哨兵结点
public:
// O(1)
MyLinkedList() {
_size = 0;
_sentinelNode = new DLinkListNode(0);
_sentinelNode->next = _sentinelNode;
_sentinelNode->prev = _sentinelNode;
}
// O(index)
int get(int index) {
if (index < 0 || index >= _size) return -1;
DLinkListNode* cur = _sentinelNode;
if (index < _size >> 1) {
for (int i = 0; i < index + 1; i++) {
cur = cur->next;
}
} else {
for (int i = 0; i < _size - index; i++) {
cur = cur->prev; // 移动到目标节点
}
}
return cur->val;
}
// O(1)
void addAtHead(int val) {
DLinkListNode* newNode = new DLinkListNode(val);
newNode->prev = _sentinelNode;
newNode->next = _sentinelNode->next;
_sentinelNode->next->prev = newNode;
_sentinelNode->next = newNode;
_size++;
}
// O(1)
void addAtTail(int val) {
DLinkListNode* newNode = new DLinkListNode(val);
DLinkListNode* cur = _sentinelNode->prev;
newNode->next = _sentinelNode;
newNode->prev = cur;
_sentinelNode->prev = newNode;
cur->next = newNode;
_size++;
}
// O(index)
void addAtIndex(int index, int val) {
if (index > _size) return;
if (index < 0) index = 0;
DLinkListNode* newNode = new DLinkListNode(val);
DLinkListNode* cur = _sentinelNode;
if (index < _size >> 1) {
for (int i = 0; i < index; i++) {
cur = cur->next;
}
} else {
for (int i = 0; i < _size - index + 1; i++) {
cur = cur->prev;
}
}
newNode->next = cur->next;
newNode->prev = cur;
cur->next->prev = newNode;
cur->next = newNode;
_size++;
}
// O(index)
void deleteAtIndex(int index) {
if (index >= _size || index < 0) return;
DLinkListNode* cur = _sentinelNode;
if (index < _size >> 1) {
for (int i =0; i < index; i++) {
cur = cur->next;
}
} else {
for (int i =0; i < _size - index + 1; i++) {
cur = cur->prev;
}
}
DLinkListNode* tmp = cur->next;
cur->next = tmp->next;
tmp->next->prev = cur;
delete tmp;
// delete命令指示释放了tmp指针原本所指的那部分内存,
// 被delete后的指针tmp的值(地址)并非就是NULL,而是随机值。也就是被delete后,
// 如果不再加上一句tmp=nullptr,tmp会成为乱指的野指针
// 如果之后的程序不小心使用了tmp,会指向难以预想的内存空间
tmp = nullptr;
_size--;
}
};
/**
* Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
* MyLinkedList* obj = new MyLinkedList();
* int param_1 = obj->get(index);
* obj->addAtHead(val);
* obj->addAtTail(val);
* obj->addAtIndex(index,val);
* obj->deleteAtIndex(index);
*/
链表插入与删除的目标位置的上一节点相同,而下一节点偏移1,因此为了统一,以上代码均寻找上一节点
双指针法
206# 反转链表(可递归)
给你单链表的头节点
head
,请你反转链表,并返回反转后的链表。示例 1:
输入:head = [1,2,3,4,5] 输出:[5,4,3,2,1]
示例 2:
输入:head = [1,2] 输出:[2,1]
示例 3:
输入:head = [] 输出:[]
提示:
- 链表中节点的数目范围是
[0, 5000]
-5000 <= Node.val <= 5000
使用双指针(cur
和pre
)改变链表的next
指针的指向,直接将链表反转 ,而不用重新定义一个新的链表
// 双指针法
// O(n) 0ms; O(1) 13.17MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
* ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
* ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode* reverseList(ListNode* head) {
ListNode *pre = nullptr, *cur = head;
ListNode *post;
while (cur) {
post = cur->next; // 保存cur的下一个节点,因为接下来要改变cur->next
cur->next = pre;
pre = cur;
cur = post;
}
return pre;
}
};
递归法:假设链表的其余部分已经被反转,现在反转它前面的部分(从后往前翻转指针指向)
// 递归法
// O(n) 0ms; O(n) 13.30MB 递归调用了n层栈空间
class Solution {
public:
ListNode* reverseList(ListNode* head) {
if (!head || !head->next) return head;
ListNode *last = reverseList(head->next); // 递归传入下一个节点,多次递归返回值均是最后一个节点
head->next->next = head; // 反转
// 反转后,head节点为尾节点,next需要指向NULL
head->next = nullptr; // 中间结点指向NULL后,外层递归通过 head->next->next = head 修正
return last;
}
};
19# 删除链表的倒数第N个结点
给你一个链表,删除链表的倒数第
n
个结点,并且返回链表的头结点。示例 1:
输入:head = [1,2,3,4,5], n = 2 输出:[1,2,3,5]
示例 2:
输入:head = [1], n = 1 输出:[]
示例 3:
输入:head = [1,2], n = 1 输出:[1]
提示:
- 链表中结点的数目为
sz
1 <= sz <= 30
0 <= Node.val <= 100
1 <= n <= sz
快慢指针fast
和slow
,如果要删除倒数第n
个结点,让fast
移动n
步,然后让fast
和slow
同时移动,直到fast指向链表末尾,删掉slow所指向的结点
使用虚拟头结点便于处理删除头结点的情况
// 快慢指针法 & 设置虚拟头结点
// O(n) 0ms; O(1) 14.68MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
* ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
* ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode* removeNthFromEnd(ListNode* head, int n) {
ListNode *dummyHead = new ListNode(0);
dummyHead->next = head;
ListNode *slow = dummyHead, *fast = dummyHead;
for (int i = 0; i < n + 1; i++) { // slow应指向删除节点的上一个节点,故为n+1
fast = fast->next;
}
while (fast) {
slow = slow->next;
fast = fast->next;
}
ListNode *tmp = slow->next;
slow->next = tmp->next;
delete tmp;
return dummyHead->next; // 头结点可能会被删除,因此不能 return head
}
};
面试题02.07.# 链表相交
给你两个单链表的头节点
headA
和headB
,请你找出并返回两个单链表相交的起始节点。如果两个链表没有交点,返回null
。图示两个链表在节点
c1
开始相交**:**题目数据 保证 整个链式结构中不存在环。
注意,函数返回结果后,链表必须 保持其原始结构 。
示例 1:
输入:intersectVal = 8, listA = [4,1,8,4,5], listB = [5,0,1,8,4,5], skipA = 2, skipB = 3 输出:Intersected at '8' 解释:相交节点的值为 8 (注意,如果两个链表相交则不能为 0)。 从各自的表头开始算起,链表 A 为 [4,1,8,4,5],链表 B 为 [5,0,1,8,4,5]。 在 A 中,相交节点前有 2 个节点;在 B 中,相交节点前有 3 个节点。
示例 2:
输入:intersectVal = 2, listA = [0,9,1,2,4], listB = [3,2,4], skipA = 3, skipB = 1 输出:Intersected at '2' 解释:相交节点的值为 2 (注意,如果两个链表相交则不能为 0)。 从各自的表头开始算起,链表 A 为 [0,9,1,2,4],链表 B 为 [3,2,4]。 在 A 中,相交节点前有 3 个节点;在 B 中,相交节点前有 1 个节点。
示例 3:
输入:intersectVal = 0, listA = [2,6,4], listB = [1,5], skipA = 3, skipB = 2 输出:null 解释:从各自的表头开始算起,链表 A 为 [2,6,4],链表 B 为 [1,5]。 由于这两个链表不相交,所以 intersectVal 必须为 0,而 skipA 和 skipB 可以是任意值。 这两个链表不相交,因此返回 null 。
提示:
listA
中节点数目为m
listB
中节点数目为n
0 <= m, n <= 3 * 104
1 <= Node.val <= 105
0 <= skipA <= m
0 <= skipB <= n
- 如果
listA
和listB
没有交点,intersectVal
为0
- 如果
listA
和listB
有交点,intersectVal == listA[skipA + 1] == listB[skipB + 1]
注意:交点不是数值相等,而是指针相等
假设链表headA
的不相交部分有a
个节点,链表headB
的不相交部分有b
个节点,两个链表相交的部分有c
个节点,即a+c=m
,b+c=n
那么a+c+b = b+c+a
因此解决方法是双指针同步遍历两个链表,为空时更换所遍历的链表,直至指向同一个结点或都为空
// 双指针法
// O(m+n) 34ms; O(1) 18.18MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode *getIntersectionNode(ListNode *headA, ListNode *headB) {
if (!headA || !headB) return nullptr;
ListNode *curA = headA, *curB = headB;
while (curA != curB) {
curA = curA ? curA->next : headB;
curB = curB ? curB->next : headA;
}
return curA;
}
};
142# 环形链表II
给定一个链表的头节点
head
,返回链表开始入环的第一个节点。 如果链表无环,则返回null
。如果链表中有某个节点,可以通过连续跟踪
next
指针再次到达,则链表中存在环。 为了表示给定链表中的环,评测系统内部使用整数pos
来表示链表尾连接到链表中的位置(索引从 0 开始)。如果pos
是-1
,则在该链表中没有环。注意:pos
不作为参数进行传递,仅仅是为了标识链表的实际情况。不允许修改 链表。
示例 1:
输入:head = [3,2,0,-4], pos = 1 输出:返回索引为 1 的链表节点 解释:链表中有一个环,其尾部连接到第二个节点。
示例 2:
输入:head = [1,2], pos = 0 输出:返回索引为 0 的链表节点 解释:链表中有一个环,其尾部连接到第一个节点。
示例 3:
输入:head = [1], pos = -1 输出:返回 null 解释:链表中没有环。
提示:
- 链表中节点的数目范围在范围
[0, 104]
内-105 <= Node.val <= 105
pos
的值为-1
或者链表中的一个有效索引
快慢指针法,从头结点出发,fast
每次移动两个节点,slow
每次移动一个节点,如果fast
和slow
相同 ,则链表有环
(若链表有环,那么fast
和slow
一定能重合,原因:该快慢指针的相对移动速度是1,它们在环内的相对距离一定能够减小为0)
设链表中环外部分的长度为a
(所求),相遇点与环起点的距离为b
,那么 a+b+n(b+c) = 2(a+b)
,即a=c+(n−1)(b+c)
则从头结点和相遇点同时出发一个指针,那么两个指针相遇点即为环形入口的结点(从头结点出发的指针走了a
,从相遇点出发的指针走了c+(n−1)(b+c)
即绕环若干圈后相遇)
// 快慢指针法
// O(n) 3ms; O(1) 11.18MB
/**
* Definition for singly-linked list.
* struct ListNode {
* int val;
* ListNode *next;
* ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
* };
*/
class Solution {
public:
ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
ListNode *slow = head, *fast = head;
while (fast && fast->next) {
slow = slow->next;
fast = fast->next->next;
if (slow == fast) break;
}
if (!fast || !fast->next) return nullptr;
slow = head;
while (slow != fast) {
slow = slow->next;
fast = fast->next;
}
return slow;
}
};
时间复杂度:快慢指针相遇前,slow
指针走过的距离不会超过链表的总长度;相遇后,两个指针走的次数也不会超过链表长度,因此总体次数不超过2n
slow
指针走过的距离不会超过链表的总长度:slow
进环后与fast
的最大距离d
小于环长C
,且2b = b+d < b+C
,因此slow
走的距离b < C
(fast
和slow
的相对移动速度是1,因此fast
不可能跳过slow
,故2b = b+d
而非2b = b+d+kC
)
补充知识:递归
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- 确定问题,即函数参数
- 解决基准问题:可以直接计算结果并返回的条件
- 拆解问题:寻找规模更小的子问题
汉诺塔
void hanoi(int n, char F, char A, char T) {
if (n = 1) {
printf("move %d from %c to %c\n", n, F, T);
return;
}
hanoi(n-1, F, T, A);
printf("move %d from %c to %c\n", n, F, T);
hanoi(n-1, A, F, T);
}
本文参考了 LeetCode官方题解 及 代码随想录