面试_链表类

剑指 Offer 22. 链表中倒数第k个节点

输入一个链表，输出该链表中倒数第k个节点。为了符合大多数人的习惯，本题从1开始计数，即链表的尾节点是倒数第1个节点。

例如，一个链表有 6 个节点，从头节点开始，它们的值依次是 1、2、3、4、5、6。这个链表的倒数第 3 个节点是值为 4 的节点。

示例：

给定一个链表: 1->2->3->4->5, 和 k = 2.

返回链表 4->5.

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* getKthFromEnd(ListNode* head, int k) {
        ListNode *fast = head, *slow = head;
        while (fast && k--)
        {
            fast = fast->next;
        }
        while (fast && slow)
        {
            fast = fast->next;
            slow = slow->next;
        }
        return slow;
    }
};

O(N)

剑指 Offer 18. 删除链表的节点

给定单向链表的头指针和一个要删除的节点的值，定义一个函数删除该节点。

返回删除后的链表的头节点。注意：此题对比原题有改动

示例 1:

输入: head = [4,5,1,9], val = 5
输出: [4,1,9]
解释: 给定你链表中值为 5 的第二个节点，那么在调用了你的函数之后，该链表应变为 4 -> 1 -> 9.
示例 2:

输入: head = [4,5,1,9], val = 1
输出: [4,5,9]
解释: 给定你链表中值为 1 的第三个节点，那么在调用了你的函数之后，该链表应变为 4 -> 5 -> 9.

说明：

题目保证链表中节点的值互不相同
若使用 C 或 C++ 语言，你不需要 free 或 delete 被删除的节点

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* deleteNode(ListNode* head, int val) {
        if (head == nullptr) return nullptr;
        if (head->val == val) return head->next;
        ListNode *cur = head->next, *pre = head;
        while (cur && cur->val != val)
        {   
            pre = cur;
            cur = cur->next;
        }
        if (cur) {
            pre->next = cur->next;
        }
        return head;
    }
};

剑指 Offer 35. 复杂链表的复制

请实现 copyRandomList 函数，复制一个复杂链表。在复杂链表中，每个节点除了有一个 next 指针指向下一个节点，还有一个 random 指针指向链表中的任意节点或者 null。

示例 1：

输入：head = [[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]
输出：[[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]

示例 2：
输入：head = [[1,1],[2,1]]
输出：[[1,1],[2,1]]

示例 3：
输入：head = [[3,null],[3,0],[3,null]]
输出：[[3,null],[3,0],[3,null]]

示例 4：
输入：head = []
输出：[]

解释：给定的链表为空（空指针），因此返回 null。

提示

-10000 <= Node.val <= 10000
Node.random 为空（null）或指向链表中的节点。
节点数目不超过 1000 。

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/
class Solution {
public:
    // Node* copyRandomList(Node* head) {
    //     if (head == nullptr) return nullptr;
    //     Node *cur = head;
    //     unordered_map<Node*, Node*> dic;
    //     while (cur)
    //     {
    //         dic[cur] = new Node(cur->val);
    //         cur = cur->next;
    //     }
    //     cur = head;
    //     while(cur)
    //     {
    //         dic[cur]->next = dic[cur->next];
    //         dic[cur]->random = dic[cur->random];
    //         cur = cur->next;
    //     }
    //     return dic[head];
    // }
    Node* copyRandomList(Node* head)
    {
        if (head == nullptr) return nullptr;
        Node *cur = head;
        // 1. 复制各节点，并构建拼接链表
        while (cur != nullptr)
        {
            Node *tmp = new Node(cur->val);
            //插入新节点 tmp (tmp == cur)
            tmp->next = cur->next; 
            cur->next = tmp;   
            cur = tmp->next;
        }
        //2. 构建各个新节点的random指向
        cur = head;
        while (cur != nullptr)
        {
            if (cur->random != nullptr) {
                //cur->next是cur的新节点
                //cur->random->next是cur->random的新节点
                cur->next->random = cur->random->next;
            }
            //cur真正next是 cur->next->next
            cur = cur->next->next;
        }
        //3. 拆分两个链表
        //新节点头节点
        cur = head->next;
        Node *pre = head, *res = head->next;
        while (cur->next != nullptr)
        {
            //建立原始结点链表
            pre->next = pre->next->next;
            //新节点链表
            cur->next = cur->next->next;
            pre = pre->next;
            cur = cur->next;
        }
        //如果这条不写，相当于修改了原始链表最后一个元素的指针
        pre->next = nullptr;
        //返回新链表头节点
        return res;
    }
};

剑指 Offer 36. 二叉搜索树与双向链表

输入一棵二叉搜索树，将该二叉搜索树转换成一个排序的循环双向链表。要求不能创建任何新的节点，只能调整树中节点指针的指向。为了让您更好地理解问题，以下面的二叉搜索树为例：

我们希望将这个二叉搜索树转化为双向循环链表。链表中的每个节点都有一个前驱和后继指针。对于双向循环链表，第一个节点的前驱是最后一个节点，最后一个节点的后继是第一个节点。

下图展示了上面的二叉搜索树转化成的链表。“head” 表示指向链表中有最小元素的节点。

特别地，我们希望可以就地完成转换操作。当转化完成以后，树中节点的左指针需要指向前驱，树中节点的右指针需要指向后继。还需要返回链表中的第一个节点的指针。

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* left;
    Node* right;

    Node() {}

    Node(int _val) {
        val = _val;
        left = NULL;
        right = NULL;
    }

    Node(int _val, Node* _left, Node* _right) {
        val = _val;
        left = _left;
        right = _right;
    }
};
*/
class Solution {
    Node *pre, *head;
    void dfs(Node *cur)
    {
        if (cur == nullptr) return;
        dfs(cur->left);
        if (pre == nullptr) {
            head = cur;       //记录头指针
        } else {
            pre->right = cur;
        }
        cur->left = pre;
        pre = cur;
        dfs(cur->right);
    }
public:
    Node* treeToDoublyList(Node* root) {
        if (!root) return nullptr;
        dfs(root);
        head->left = pre;
        pre->right = head;
        return head;
    }
};

141. 环形链表

给你一个链表的头节点 head ，判断链表中是否有环。

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）。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。

如果链表中存在环 ，则返回 true 。 否则，返回 false 。

示例 1：

输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：true
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：true
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：false
解释：链表中没有环。

提示：

链表中节点的数目范围是 [0, 104]
-105 <= Node.val <= 105
pos 为 -1 或者链表中的一个 有效索引 。

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    bool hasCycle(ListNode *head) {
        if (head == nullptr || head->next == nullptr) return false;
        // ListNode *slow = head, *fast = head;
        // while (fast->next && fast->next->next)
        // {
        //     slow = slow->next;
        //     fast = fast->next->next;
        //     if (slow == fast) {
        //         return true;
        //     }
        // }
        // return false;
        ListNode *slow = head, *fast = head->next;
        while (slow != fast) 
        {
            if (!fast->next || !fast->next->next) {
                return false;
            } else {
                slow = slow->next;
                fast = fast->next->next;
            }
        }
        return true;
    }
};

时间复杂度：O(n)；空间复杂度：O(1)

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

/**
 * 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) {
        if (head == NULL) return NULL;
        if (head->next == NULL) return NULL;
        unordered_set<ListNode*> st;
        while (head && st.count(head) == 0)
        {
            st.insert(head);
            head = head->next;
        }
        if (head) {
            return head;
        } else {
            return NULL;
        }
    }
};

法二：快慢指针

/**
 * 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) {
        if (head == NULL) return NULL;
        if (head->next == NULL) return NULL;
        // unordered_set<ListNode*> st;
        // while (head && st.count(head) == 0)
        // {
        //     st.insert(head);
        //     head = head->next;
        // }
        // if (head) {
        //     return head;
        // } else {
        //     return NULL;
        // }
        ListNode *slow = head, *fast = head;
        //链表长度为 a + b, a为入口前长度，b为环长度
        //相遇时，f=2s, f=s+nb => f=2nb, s=nb，f,s分别走2n,n个环长度
        //统计k步，slow走到环入口，k=a+nb 
        //让slow先走nb步
        while (fast && fast->next)
        {
            slow = slow->next;
            fast = fast->next->next;
            if (fast == NULL || fast->next == NULL) {
                return NULL;
            }
            if (slow == fast) {
                break;
            }
        }    
        //slow已走过nb步，让slow再走a步，到环入口；若从head开始走a步，也可以到环入口，相遇；
        fast = head;
        while (slow != fast)
        {
            slow = slow->next;
            fast = fast->next;
        }
        return slow;
    }
};

剑指 Offer 24. 反转链表

定义一个函数，输入一个链表的头节点，反转该链表并输出反转后链表的头节点。

示例:

输入: 1->2->3->4->5->NULL
输出: 5->4->3->2->1->NULL

限制：

0 <= 节点个数 <= 5000

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        //法一：
        // if (head == nullptr) return nullptr;
        // ListNode *pre = nullptr, *cur = head;
        // while (cur)
        // {
        //     ListNode *t = cur->next;
        //     cur->next = pre; pre = cur;
        //     cur = t;
        // }
        // return pre;

        //法二
        if (head == nullptr) return nullptr;
        ListNode *pre = new ListNode(head->val); head = head->next;
        while (head)
        {
            ListNode *t = new ListNode(head->val);
            t->next = pre; pre = t;
            head = head->next;
        }
        return pre;

        // if (!head || !head->next) return head;
        // ListNode *newHead = reverseList(head->next);
        // head->next->next = head;
        // head->next = NULL;
        // return newHead;
    }
};

25. K 个一组翻转链表

给你链表的头节点 head ，每 k 个节点一组进行翻转，请你返回修改后的链表。

k 是一个正整数，它的值小于或等于链表的长度。如果节点总数不是 k 的整数倍，那么请将最后剩余的节点保持原有顺序。

你不能只是单纯的改变节点内部的值，而是需要实际进行节点交换。

示例 1：

输入：head = [1,2,3,4,5], k = 2
输出：[2,1,4,3,5]

示例 2：

输入：head = [1,2,3,4,5], k = 3
输出：[3,2,1,4,5]

提示：
链表中的节点数目为 n
1 <= k <= n <= 5000
0 <= Node.val <= 1000

/**
 * 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:
    //翻转一个子链表，并且返回新的头与尾
    pair<ListNode*, ListNode*> myReverse(ListNode* head, ListNode* tail)
    {
        //把节点都接在prev前面，就完成了逆序
        ListNode* prev = tail->next;
        ListNode* p = head;
        while (prev != tail)
        {
            ListNode* nex = p->next;
            p->next = prev;
            prev = p;
            p = nex;
        }
        return {tail, head};
    }
    ListNode* reverseKGroup(ListNode* head, int k) {
        if (head == nullptr or head->next == nullptr) return head;
        ListNode *hair = new ListNode(0);
        hair->next = head;
        ListNode *pre = hair;

        while (head)
        {
            ListNode* tail = pre;
            // 查看剩余部分长度是否大于等于k
            for (int i = 0; i < k; ++i) {
                tail = tail->next;
                if (!tail) {
                    return hair->next;
                }
            }
            //保留下一组的开始节点
            ListNode* nex = tail->next;
            //反转一个组的节点
            pair<ListNode*, ListNode*> result = myReverse(head, tail);
            head = result.first;   //tail: result.first
            tail = result.second;  //head: result.second
            //把子链表重新接回原链表
            pre->next = head;
            tail->next = nex;
            //pre: 下一组的hair; head: 下一组的开始节点
            pre = tail;
            head = tail->next;
        }
        return hair->next;
    }
};

时间复杂度：O(n)

23. 合并K个升序链表

给你一个链表数组，每个链表都已经按升序排列。请你将所有链表合并到一个升序链表中，返回合并后的链表。

示例 1：

输入：lists = [[1,4,5],[1,3,4],[2,6]]
输出：[1,1,2,3,4,4,5,6]
解释：链表数组如下：
[
1->4->5,
1->3->4,
2->6
]
将它们合并到一个有序链表中得到。
1->1->2->3->4->4->5->6
示例 2：

输入：lists = []
输出：[]
示例 3：

输入：lists = [[]]
输出：[]

提示：

k == lists.length
0 <= k <= 10^4
0 <= lists[i].length <= 500
-10^4 <= lists[i][j] <= 10^4
lists[i] 按 升序 排列
lists[i].length 的总和不超过 10^4

法一：时间复杂度\(O(k^2n)\)

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:

    def mergeTwoLists(self, A, B):
        if not A or not B:
            return B if not A else A

        head = ListNode()
        tail = head
        while A and B:
            if A.val < B.val:
                tail.next = A
                A = A.next
            else:
                tail.next = B
                B = B.next
            tail = tail.next
        
        tail.next = A if A else B
        return head.next
            

    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        if lists == []:
            return None
        lists_len = len(lists)
        if len == 1 and not lists[0]:
            return None

        ans = None
        for i in range(lists_len):
            ans = self.mergeTwoLists(ans, lists[i])
        
        return ans

法二：分治归并

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:

    def mergeTwoLists(self, A, B):
        if not A or not B:
            return B if not A else A

        head = ListNode()
        tail = head
        while A and B:
            if A.val < B.val:
                tail.next = A
                A = A.next
            else:
                tail.next = B
                B = B.next
            tail = tail.next
        
        tail.next = A if A else B
        return head.next
            
    def merge(self, lists, left, right):
        if left == right: return lists[left]
        if left > right: return None
        mid = (left + right) // 2
        return self.mergeTwoLists(self.merge(lists, left, mid), self.merge(lists, mid + 1, right))

    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        if lists == []:
            return None
        lists_len = len(lists)
        # 法一
        # ans = None
        # for i in range(lists_len):
        #     ans = self.mergeTwoLists(ans, lists[i])
        # return ans

        # 分治合并
        return self.merge(lists, 0, lists_len - 1)

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next

class Status:
    def __init__(self, val=0, ptr=None):
        self.val = val
        self.ptr = ptr
    
    def __lt__(self, other):
        if self.val > other.val:
            return False
        else:
            return True

class Solution:
    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        if lists == []:
            return None
        lists_len = len(lists)

        # 优先队列
        import heapq
        que = []

        for li in lists:
            if li:
                heapq.heappush(que, Status(li.val, li))
            
        head = ListNode()
        tail = head
        while que:
            f = heapq.heappop(que)
            tail.next = f.ptr
            tail = tail.next
            if f.ptr.next:
                heapq.heappush(que, Status(f.ptr.next.val, f.ptr.next))
            
        return head.next