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Python 实现反转、合并链表有啥用？

article 2025/2/25 3:26:34

大家好，我是 V 哥。使用 Python 实现反转链表、合并链表在开发中比较常见，我们先来看看各自的应用场景。先赞再看后评论，腰缠万贯财进门。

2024博客之星年度总评选，感谢给 V 哥投上宝贵的一票

反转链表

比如，在处理时间序列数据时，有时需要将历史数据按照时间从近到远的顺序展示，如果数据是以链表形式存储的，通过反转链表可以高效地实现这一需求。再比如，判断一个链表是否为回文链表（即链表正序和逆序遍历的值相同）时，可以先反转链表的后半部分，然后与前半部分进行比较。再比如，在图像处理中，有时需要对图像进行水平或垂直翻转。如果图像数据以链表形式存储（例如，链表中的每个节点代表图像的一个像素），反转链表可以实现图像的水平翻转。

合并链表

比如，在大规模数据排序中，当数据量太大无法一次性加载到内存中时，可以采用多路归并排序算法。该算法将数据分成多个小块，分别排序后得到多个有序链表，然后通过合并这些有序链表得到最终的有序结果。合并链表是多路归并排序的核心操作之一。在数据库中，当执行多个查询操作并得到多个有序结果集时，需要将这些结果集合并成一个有序的结果集。如果这些结果集以链表形式存储，合并链表可以高效地完成这个任务。在多媒体处理中，有时需要将多个音视频流合并成一个流。如果每个音视频流的数据以链表形式存储，合并链表可以实现音视频流的合并。

了解完反转链表和合并链表的应用场景，是不是跟 V 哥一样，这玩意儿还真挺有用的，那接下来，V 哥就详细介绍一个反转链表和合并链表。

反转链表

先看在 Python 中实现反转链表，我们可以使用迭代和递归两种方法。下面分别给出这两种方法的详细实现。

迭代方法

迭代方法的核心思想是遍历链表，在遍历过程中改变每个节点的指针方向，使其指向前一个节点。

# 定义链表节点类
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def reverseList(head):
    # 初始化前一个节点为 None
    prev = None
    # 当前节点指向头节点
    curr = head
    while curr:
        # 保存当前节点的下一个节点
        next_node = curr.next
        # 将当前节点的指针指向前一个节点
        curr.next = prev
        # 前一个节点移动到当前节点
        prev = curr
        # 当前节点移动到下一个节点
        curr = next_node
    # 最终 prev 指向反转后的头节点
    return prev

# 辅助函数：将列表转换为链表
def list_to_linked_list(lst):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    for val in lst:
        current.next = ListNode(val)
        current = current.next
    return dummy.next

# 辅助函数：将链表转换为列表
def linked_list_to_list(head):
    result = []
    current = head
    while current:
        result.append(current.val)
        current = current.next
    return result

# 测试代码
input_list = [1, 2, 3, 4, 5]
head = list_to_linked_list(input_list)
reversed_head = reverseList(head)
output_list = linked_list_to_list(reversed_head)
print(output_list)  # 输出: [5, 4, 3, 2, 1]

递归方法

递归方法的核心思想是先递归地反转当前节点之后的链表，然后将当前节点的指针指向前一个节点。

# 定义链表节点类
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def reverseList(head):
    # 如果链表为空或只有一个节点，直接返回头节点
    if not head or not head.next:
        return head
    # 递归地反转当前节点之后的链表
    new_head = reverseList(head.next)
    # 将当前节点的下一个节点的指针指向当前节点
    head.next.next = head
    # 将当前节点的指针置为 None
    head.next = None
    return new_head

# 辅助函数：将列表转换为链表
def list_to_linked_list(lst):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    for val in lst:
        current.next = ListNode(val)
        current = current.next
    return dummy.next

# 辅助函数：将链表转换为列表
def linked_list_to_list(head):
    result = []
    current = head
    while current:
        result.append(current.val)
        current = current.next
    return result

# 测试代码
input_list = [1, 2, 3, 4, 5]
head = list_to_linked_list(input_list)
reversed_head = reverseList(head)
output_list = linked_list_to_list(reversed_head)
print(output_list)  # 输出: [5, 4, 3, 2, 1]

以上两种方法都可以实现链表的反转，迭代方法的时间复杂度是 $O (n)$ ，空间复杂度是 $O (1)$ ；递归方法的时间复杂度也是 $O (n)$ ，但空间复杂度是 $O (n)$ ，主要是递归调用栈的开销。

使用 Python 实现链表的合并

在 Python 中实现链表的合并，常见的情况有合并两个有序链表和合并多个有序链表，下面分别介绍这两种情况的实现方法。

合并两个有序链表

合并两个有序链表的思路是比较两个链表当前节点的值，将较小值的节点添加到结果链表中，然后移动相应链表的指针，直到其中一个链表遍历完，最后将另一个链表剩余的部分直接连接到结果链表的末尾。

# 定义链表节点类
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def mergeTwoLists(l1, l2):
    # 创建一个虚拟头节点
    dummy = ListNode(0)
    # 当前节点指针，初始指向虚拟头节点
    current = dummy
    while l1 and l2:
        if l1.val <= l2.val:
            # 如果 l1 的值较小，将 l1 节点添加到结果链表
            current.next = l1
            l1 = l1.next
        else:
            # 如果 l2 的值较小，将 l2 节点添加到结果链表
            current.next = l2
            l2 = l2.next
        # 移动当前节点指针
        current = current.next
    # 将剩余的链表连接到结果链表末尾
    if l1:
        current.next = l1
    if l2:
        current.next = l2
    # 返回合并后链表的头节点（虚拟头节点的下一个节点）
    return dummy.next

# 辅助函数：将列表转换为链表
def list_to_linked_list(lst):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    for val in lst:
        current.next = ListNode(val)
        current = current.next
    return dummy.next

# 辅助函数：将链表转换为列表
def linked_list_to_list(head):
    result = []
    current = head
    while current:
        result.append(current.val)
        current = current.next
    return result

# 测试代码
list1 = [1, 2, 4]
list2 = [1, 3, 4]
l1 = list_to_linked_list(list1)
l2 = list_to_linked_list(list2)
merged_head = mergeTwoLists(l1, l2)
merged_list = linked_list_to_list(merged_head)
print(merged_list)  # 输出: [1, 1, 2, 3, 4, 4]

合并多个有序链表

合并多个有序链表可以使用分治法，不断地将链表两两合并，直到最终合并成一个链表。

# 定义链表节点类
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def mergeTwoLists(l1, l2):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    while l1 and l2:
        if l1.val <= l2.val:
            current.next = l1
            l1 = l1.next
        else:
            current.next = l2
            l2 = l2.next
        current = current.next
    if l1:
        current.next = l1
    if l2:
        current.next = l2
    return dummy.next

def mergeKLists(lists):
    if not lists:
        return None
    while len(lists) > 1:
        merged_lists = []
        for i in range(0, len(lists), 2):
            l1 = lists[i]
            l2 = lists[i + 1] if i + 1 < len(lists) else None
            merged = mergeTwoLists(l1, l2)
            merged_lists.append(merged)
        lists = merged_lists
    return lists[0]

# 辅助函数：将列表转换为链表
def list_to_linked_list(lst):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    for val in lst:
        current.next = ListNode(val)
        current = current.next
    return dummy.next

# 辅助函数：将链表转换为列表
def linked_list_to_list(head):
    result = []
    current = head
    while current:
        result.append(current.val)
        current = current.next
    return result

# 测试代码
lists = [[1, 4, 5], [1, 3, 4], [2, 6]]
linked_lists = [list_to_linked_list(lst) for lst in lists]
merged_head = mergeKLists(linked_lists)
merged_list = linked_list_to_list(merged_head)
print(merged_list)  # 输出: [1, 1, 2, 3, 4, 4, 5, 6]

以上代码分别实现了合并两个有序链表和合并多个有序链表的功能，通过辅助函数可以方便地进行链表和列表之间的转换，便于测试。

合并两个链表的过程中，是否需要考虑链表为空的情况？

在合并两个链表的过程中，需要考虑链表为空的情况，下面从必要性和不同实现情况来详细分析：

必要性

考虑链表为空的情况是非常必要的，原因如下：

避免程序出错：如果不处理链表为空的情况，在代码中直接访问空链表的节点属性（如 val 或 next），会引发 AttributeError 异常，导致程序崩溃。
保证逻辑完整性：在实际应用中，链表为空是一种合理的输入情况，处理这种边界情况可以让代码更加健壮，能够适应各种输入场景。

不同实现情况的处理

合并两个有序链表

下面是考虑链表为空情况的合并两个有序链表的代码：

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def mergeTwoLists(l1, l2):
    # 创建虚拟头节点
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    # 处理链表为空的情况
    if not l1:
        return l2
    if not l2:
        return l1
    while l1 and l2:
        if l1.val <= l2.val:
            current.next = l1
            l1 = l1.next
        else:
            current.next = l2
            l2 = l2.next
        current = current.next
    if l1:
        current.next = l1
    if l2:
        current.next = l2
    return dummy.next

# 辅助函数：将列表转换为链表
def list_to_linked_list(lst):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    for val in lst:
        current.next = ListNode(val)
        current = current.next
    return dummy.next

# 辅助函数：将链表转换为列表
def linked_list_to_list(head):
    result = []
    current = head
    while current:
        result.append(current.val)
        current = current.next
    return result

# 测试链表为空的情况
list1 = []
list2 = [1, 2, 3]
l1 = list_to_linked_list(list1)
l2 = list_to_linked_list(list2)
merged_head = mergeTwoLists(l1, l2)
merged_list = linked_list_to_list(merged_head)
print(merged_list)  # 输出: [1, 2, 3]

在上述代码中，在函数开始处就对链表是否为空进行了判断，如果其中一个链表为空，直接返回另一个链表。这样可以避免后续代码在访问空链表节点时出现错误。

递归实现合并两个有序链表

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def mergeTwoLists(l1, l2):
    # 处理链表为空的情况
    if not l1:
        return l2
    if not l2:
        return l1
    if l1.val <= l2.val:
        l1.next = mergeTwoLists(l1.next, l2)
        return l1
    else:
        l2.next = mergeTwoLists(l1, l2.next)
        return l2

# 辅助函数省略，同上面代码