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LeetCode精选200道--链表篇

2022-07-08 00:45:00 【小蜗牛耶】

前言

学习数据结构最好有C语言的基础，学过C语言的指针再去学数据结构会很容易

推荐书籍：CPrimerPlus、大话数据结构

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链表理论基础

链表的类型

什么是链表，链表是一种通过指针串联在一起的线性结构，每一个节点由两部分组成，一个是数据域一个是指针域（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（空指针的意思）。

链接的入口节点称为链表的头结点也就是head。

单链表

上面这种形式就是单链表

双链表

单链表中的节点只能指向节点的下一个节点。

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。

双链表既可以向前查询也可以向后查询。

如图所示：

循环链表

循环链表，顾名思义，就是链表首尾相连。

循环链表可以用来解决约瑟夫环问题。

链表的存储方式

数组是在内存中是连续分布的，但是链表在内存中可不是连续分布的。分配机制取决于操作系统的内存管理。

链表的定义

下面这个是C/C++的定义

// 单链表
struct ListNode {
    
    int val;  // 节点上存储的元素
    ListNode *next;  // 指向下一个节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {
    }  // 节点的构造函数
};

我们在Java中怎么定义呢？

其实都是差不多的，我们通过一个一个的对象来进行模拟，首先我们需要定义一个类，这是对象的模板

package com.sequenceTable.linkedlist1;

public class ListNode {
    
    public int val; // 节点上存储的元素
    public ListNode next; //指向下一个节点

    public ListNode() {
    
    }

    public ListNode(int val) {
    
        this.val = val;
    }


    @Override
    public String toString() {
    
        return "ListNode{" +
                "val=" + val +
                '}';
    }
}

删除节点

删除节点D，很简单如图所示，把原本指向D节点的指针(对象的引用)指向E节点即可删除D节点了~

Java中有垃圾回收机制，D节点没有被引用就会被回收

添加节点

可以看出链表的增添和删除都是 $O (1)$ 操作，也不会影响到其他节点。

但是要注意，要是删除第五个节点，需要从头节点查找到第四个节点通过next指针进行删除操作，查找的时间复杂度是 $O (n)$ 。

链表和数据特性对比

数组在定义的时候，长度就是固定的，如果想改动数组的长度，就需要重新定义一个新的数组。

链表的长度可以是不固定的，并且可以动态增删，适合数据量不固定，频繁增删，较少查询的场景。

移除链表元素

题意：删除链表中等于给定值 val 的所有节点。

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：[]

思路

如果使用C，C++编程语言的话，不要忘了还要从内存中删除这两个移除的节点

当然如果使用java ，python的话就不用手动管理内存了。

链表操作的两种方式：

直接使用原来的链表来进行删除操作。
设置一个虚拟头结点在进行删除操作。

来看第一种操作：直接使用原来的链表来进行移除。

移除头结点和移除其他节点的操作是不一样的，因为链表的其他节点都是通过前一个节点来移除当前节点，而头结点没有前一个节点。

所以头结点如何移除呢，其实只要将头结点向后移动一位就可以，这样就从链表中移除了一个头结点。

之后在内存中删掉即可

这样移除了一个头结点，是不是发现，在单链表中移除头结点和移除其他节点的操作方式是不一样，其实在写代码的时候也会发现，需要单独写一段逻辑来处理移除头结点的情况。

那么可不可以以一种统一的逻辑来移除链表的节点呢。

其实可以设置一个虚拟头结点，这样原链表的所有节点就都可以按照统一的方式进行移除了。

来看看如何设置一个虚拟头。依然还是在这个链表中，移除元素1。

这里来给链表添加一个虚拟头结点为新的头结点，此时要移除这个旧头结点元素1。

这样是不是就可以使用和移除链表其他节点的方式统一了呢？

来看一下，如何移除元素1 呢，还是熟悉的方式，然后从内存中删除元素1。

最后呢在题目中，return 头结点的时候，别忘了 return dummyNode->next;，这才是新的头结点

这个题其实一想就能想到用迭代的方式即可，一直往后找，找到后改变指向，没有找到继续后移，只需注意一个特殊情况，就是目标值为头结点的时候，所以我们定义的时候直接来个虚拟的结点。这样就可以匹配这种情况

java代码如下：

package com.sequenceTable.linkedlist1;

public class removelinkedlistelements {
    
    public ListNode removeElements(ListNode head,int val){
    
        // 因为删除可能涉及到头节点，所以设置dummy节点，统一操作
        //dummy也就是虚拟的意思
        ListNode dummy = new ListNode(0);
        dummy.next = head;

        ListNode prev = dummy;

        //判断当前结点的后继结点是否为null
        while (prev.next != null){
    
            //如果当前结点后继节点的值与给定的val相等
            //则需将其后继结点删除
            if (prev.next.val == val){
    
                prev.next = prev.next.next;
            }else {
    
                // 如果当前结点的后继结点的值与给定值不相等
                // 则当前结点需要保留，因此prev向前移动一个位置
                prev = prev.next;
            }
        }
// 最终返回的是删除后的头结点
        return dummy.next;
    }
}

设计链表

思路

这一章节，java不太好理解
如果没有基础，先看C-PrimerPlus和大话数据结构
最后在推荐尚硅谷的数据结构与算法课程，一定是这个顺序！
没有什么拐弯的地方，就是你熟悉链表了，知道CRUD指针是怎么变的了就能写出来

在链表类中实现这些功能：

get(index)：获取链表中第 index 个节点的值。如果索引无效，则返回-1。

addAtHead(val)：在链表的第一个元素之前添加一个值为 val 的节点。插入后，新节点将成为链表的第一个节点。

addAtTail(val)：将值为 val 的节点追加到链表的最后一个元素。

addAtIndex(index,val)：在链表中的第 index 个节点之前添加值为 val 的节点。如果 index 等于链表的长度，则该节点将附加到链表的末尾。如果 index 大于链表长度，则不会插入节点。如果index小于0，则在头部插入节点。

deleteAtIndex(index)：如果索引 index 有效，则删除链表中的第 index 个节点。

删除节点指针的变化如下：

添加链表节点指针的变化如下：

package com.caq.linkList;

public class MyLinkedList {
    
    int size;
    ListNode head;
    //初始化链表
    public MyLinkedList() {
    
        size = 0;
        head = new ListNode(0);
    }

    //获取第index个节点的数值
    public int get(int index) {
    
        //如果index非法，返回-1
        if (index < 0 || index >= size) {
    
            return -1;
        }
        ListNode currentNode = head;
        //包含一个虚拟头节点，所以查找第 index+1 个节点
        for (int i = 0; i <= index; i++) {
    
            currentNode = currentNode.next;
        }
        return currentNode.val;
    }

    //在链表最前面插入一个节点
    public void addAtHead(int val) {
    
        addAtIndex(0, val);
    }

    //在链表的最后插入一个节点
    public void addAtTail(int val) {
    
        addAtIndex(size, val);
    }

    // 在第 index 个节点之前插入一个新节点，例如index为0，那么新插入的节点为链表的新头节点。
    // 如果 index 等于链表的长度，则说明是新插入的节点为链表的尾结点
    // 如果 index 大于链表的长度，则返回空
    public void addAtIndex(int index, int val) {
    
        if (index > size) {
    
            return;
        }
        if (index < 0) {
    
            index = 0;
        }
        size++;
        //找到要插入节点的前驱
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
    
            pred = pred.next;
        }
        ListNode toAdd = new ListNode(val);
        toAdd.next = pred.next;
        pred.next = toAdd;
    }

    //删除第index个节点
    public void deleteAtIndex(int index) {
    
        if (index < 0 || index >= size) {
    
            return;
        }
        size--;
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
    
            pred = pred.next;
        }
        pred.next = pred.next.next;
    }
}

反转链表

思路

改变链表的next指针的指向，直接将链表反转

这动画都绝了好吗，真是一看就知道啥意思！！！

首先定义一个cur指针，指向头结点，再定义一个pre指针，初始化为null。

然后就要开始反转了，首先要把 cur->next 节点用tmp指针保存一下，也就是保存一下这个节点。

为什么要保存一下这个节点呢，因为接下来要改变 cur->next 的指向了，将cur->next 指向pre ，此时已经反转了第一个节点了。

接下来，就是循环走如下代码逻辑了，继续移动pre和cur指针。

最后，cur 指针已经指向了null，循环结束，链表也反转完毕了。此时我们return pre指针就可以了，pre指针就指向了新的头结点

初始情况如下图所示：

package com.caq.linkList;

public class SolutionReverseList {
    
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
    
        ListNode prev = null;
        ListNode cur = head;
        ListNode temp = null;
        while (cur != null) {
    
            temp = cur.next;// 保存下一个节点
            cur.next = prev;
            prev = cur;
            cur = temp;
        }
        return prev;
    }
}

temp = cur.next

这里的意思是将cur.next指向temp，也就是将temp指向第二个结点

作用是为了后序的反转

递归法

和双指针类似

public ListNode reverseList(ListNode head) {
    
    return reverse(null, head);
}

private ListNode reverse(ListNode prev, ListNode cur) {
    
    if (cur == null) {
    
        return prev;
    }
    ListNode temp = null;
    temp = cur.next;// 先保存下一个节点
    cur.next = prev;// 反转
    // 更新prev、cur位置
    // prev = cur;
    // cur = temp;
    return reverse(cur, temp);
}

两两交换链表中的节点

给定一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后的链表。

你不能只是单纯的改变节点内部的值，而是需要实际的进行节点交换。

思路

这道题目正常模拟就可以了。

接下来就是交换相邻两个元素了，此时一定要画图，不画图，操作多个指针很容易乱，而且要操作的先后顺序

初始时，cur指向虚拟头结点，然后进行如下三步：

一定要自己动手去画这个过程

递归

public ListNode swapPairs(ListNode head) {
    
    // base case 退出提交
    if(head == null || head.next == null) return head;
    // 获取当前节点的下一个节点
    ListNode next = head.next;
    // 进行递归
    ListNode newNode = swapPairs(next.next);
    // 这里进行交换
    next.next = head;
    head.next = newNode;

    return next;
}

递归的过程如下：

虚拟头节点

public ListNode swapPairs(ListNode head) {
    

    ListNode dummyNode = new ListNode(0);
    dummyNode.next = head;
    ListNode prev = dummyNode;

    while (prev.next != null && prev.next.next != null) {
    
      ListNode temp = head.next.next; // 缓存 next
      prev.next = head.next;          // 将 prev 的 next 改为 head 的 next
      head.next.next = head;          // 将 head.next(prev.next) 的next，指向 head
      head.next = temp;               // 将head 的 next 接上缓存的temp
      prev = head;                    // 步进1位
      head = head.next;               // 步进1位
    }
    return dummyNode.next;
  }

删除链表的倒数第N个节点

思路

双指针的经典应用，如果要删除倒数第n个节点，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所指向的节点就可以了。

图解

1、初始情况

2、fast首先走n + 1步，为什么是n+1呢，因为只有这样同时移动的时候slow才能指向删除节点的上一个节点（方便做删除操作），如图：

3、fast和slow同时移动，直到fast指向末尾

4、删除slow指向的下一个节点

自己想的确也想不到可以这样，先记下熟悉思路！

public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {
    
        ListNode dummy = new ListNode(-1);
        dummy.next = head;

        ListNode slow = dummy;
        ListNode fast = dummy;
        while (n-- > 0) {
    
            fast = fast.next;
        }
        // 记住 待删除节点slow 的上一节点
        ListNode prev = null;
        while (fast != null) {
    
            prev = slow;
            slow = slow.next;
            fast = fast.next;
        }
        // 上一节点的next指针绕过 待删除节点slow 直接指向slow的下一节点
        prev.next = slow.next;

        return dummy.next;
    }

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 。

思路

简单来说，就是求两个链表交点节点的指针,交点不是数值相等，而是指针相等。

为了方便举例，假设节点元素数值相等，则节点指针相等。

我们求出两个链表的长度，并求出两个链表长度的差值，然后让curA移动到，和curB 末尾对齐的位置，如图：

此时我们就可以比较curA和curB是否相同，如果不相同，同时向后移动curA和curB，如果遇到curA == curB，则找到交点。

否则循环退出返回空指针。

public class LinkedListCrossing {
    
    public ListNode getNewLinkedListCrossing(ListNode headA, ListNode headB){
    
        ListNode curA = headA;
        ListNode curB = headB;
        int lenA = 0, lenB = 0;

        while (curA != null){
    
            lenA++;
            curA = curA.next;
        }

        while (curB != null) {
     // 求链表B的长度
            lenB++;
            curB = curB.next;
        }

        curA = headA;
        curB = headB;

        // 让curA为最长链表的头，lenA为其长度
        if (lenB > lenA) {
    
            //1. swap (lenA, lenB);
            int tmpLen = lenA;
            lenA = lenB;
            lenB = tmpLen;
            //2. swap (curA, curB);
            ListNode tmpNode = curA;
            curA = curB;
            curB = tmpNode;
        }
        // 求长度差
        int gap = lenA - lenB;
        // 让curA和curB在同一起点上（末尾位置对齐）
        while (gap-- > 0) {
    
            curA = curA.next;
        }
        // 遍历curA 和 curB，遇到相同则直接返回
        while (curA != null) {
    
            if (curA == curB) {
    
                return curA;
            }
            curA = curA.next;
            curB = curB.next;
        }
        return null;

    }
}

curA = headA;curB = headB;

因为前面代码通过指针遍历，获取链表长度计算lenA,lenB

后面又写这行代码意思是让指针返回原位置

其他不懂的地方，代码注释中标注了

环形链表

题意：给定一个链表，返回链表开始入环的第一个节点。如果链表无环，则返回 null。

为了表示给定链表中的环，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。

说明：不允许修改给定的链表。

题目含义

题目是什么意思呢，其实多举几个例子就能明白了

如果是多个节点的单向链表，都是一样，入环点就是第二个节点

如果链表是下面这样，那么入环点就是第四个节点

思路

完成这道题就两步

判断链表是否有环
找到这个环的入口

判断链表是否有环

fast指针一定先进入环中，如果fast指针和slow指针相遇的话，一定是在环中相遇，这是毋庸置疑的。

141.环形链表

找到这个环的入口

141.环形链表

public class Solution {
    
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
    
        ListNode slow = head;
        ListNode fast = head;
        while (fast != null && fast.next != null) {
    
            slow = slow.next;
            fast = fast.next.next;
            if (slow == fast) {
    // 有环
                ListNode index1 = fast;
                ListNode index2 = head;
                // 两个指针，从头结点和相遇结点，各走一步，直到相遇，相遇点即为环入口
                while (index1 != index2) {
    
                    index1 = index1.next;
                    index2 = index2.next;
                }
                return index1;
            }
        }
        return null;
    }
}