第5章 在链表中穿针引线

其他 2018-10-10 19:22:47 阅读次数: 0
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第5章 在链表中穿针引线

链表是一种特殊的线性结构，由于不能像数组一样进行随机的访问，所以和链表相关的问题有他自身的特点。我将之称为穿针引线。我们在这一章，就来看一看，如何在链表中穿针引线。

目录

5-1 链表，在节点间穿针引线 Reverse Linked List

题目: LeetCode 206. 反转链表

反转一个单链表。

示例:

输入: 1->2->3->4->5->NULL
输出: 5->4->3->2->1->NULL
进阶:
你可以迭代或递归地反转链表。你能否用两种方法解决这道题？

// 206. Reverse Linked List
// https://leetcode.com/problems/reverse-linked-list/description/
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution1 {

    // Definition for singly-linked list.
    public class ListNode {
        int val;
        ListNode next;
        ListNode(int x) { val = x; }
    }

    public ListNode reverseList(ListNode head) {

        ListNode pre = null;
        ListNode cur = head;
        while(cur != null){
            ListNode next = cur.next;
            cur.next = pre;
            pre = cur;
            cur = next;
        }

        return pre;
    }
}


// 206. Reverse Linked List
// https://leetcode.com/problems/reverse-linked-list/description/
//
// 递归的方式反转链表
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(n) - 注意，递归是占用空间的，占用空间的大小和递归深度成正比：）
public class Solution2 {

    // Definition for singly-linked list.
    public class ListNode {
        int val;
        ListNode next;
        ListNode(int x) { val = x; }
    }

    public ListNode reverseList(ListNode head) {

        // 递归终止条件
        if(head == null|| head.next == null)
            return head;

        ListNode rhead = reverseList(head.next);

        // head->next此刻指向head后面的链表的尾节点
        // head->next->next = head把head节点放在了尾部
        head.next.next = head;
        head.next = null;

        return rhead;
    }
}
课后作业: LeetCode 92

5-2 测试你的链表程序

题目: LeetCode 206. 反转链表

反转一个单链表。

示例:

输入: 1->2->3->4->5->NULL
输出: 5->4->3->2->1->NULL
进阶:
你可以迭代或递归地反转链表。你能否用两种方法解决这道题？

// 206. Reverse Linked List
// https://leetcode.com/problems/reverse-linked-list/description/
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution {

    public ListNode reverseList(ListNode head) {

        ListNode pre = null;
        ListNode cur = head;
        while(cur != null){
            ListNode next = cur.next;
            cur.next = pre;
            pre = cur;
            cur = next;
        }

        return pre;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int[] nums = {1, 2, 3, 4, 5};
        ListNode head = new ListNode(nums);
        System.out.println(head);

        ListNode head2 = (new Solution()).reverseList(head);
        System.out.println(head2);
    }
}

// Definition for singly-linked list.
// 在Java版本中，我们将LinkedList相关的测试辅助函数写在ListNode里
public class ListNode {

    public int val;
    public ListNode next = null;

    public ListNode(int x) {
        val = x;
    }

    // 根据n个元素的数组arr创建一个链表
    // 使用arr为参数，创建另外一个ListNode的构造函数
    public ListNode (int[] arr){

        if(arr == null || arr.length == 0)
            throw new IllegalArgumentException("arr can not be empty");

        this.val = arr[0];
        ListNode curNode = this;
        for(int i = 1 ; i < arr.length ; i ++){
            curNode.next = new ListNode(arr[i]);
            curNode = curNode.next;
        }
    }

    // 返回以当前ListNode为头结点的链表信息字符串
    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder s = new StringBuilder("");
        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            s.append(Integer.toString(curNode.val));
            s.append(" -> ");
            curNode = curNode.next;
        }
        s.append("NULL");
        return s.toString();
    }
}
课后作业: LeetCode 83、86、328、2、445

5-3 设立链表的虚拟头结点 Remove Linked List Elements

题目: LeetCode 203. 删除链表中的节点

删除链表中等于给定值 val 的所有节点。

示例:

输入: 1->2->6->3->4->5->6, val = 6
输出: 1->2->3->4->5

// 203. Remove Linked List Elements
// https://leetcode.com/problems/remove-linked-list-elements/description/
// 不使用虚拟头结点
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution1 {

    public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {

        // 需要对头结点进行特殊处理
        while(head != null && head.val == val){
            ListNode node = head;
            head = head.next;
        }

        if(head == null)
            return head;

        ListNode cur = head;
        while(cur.next != null){
            if(cur.next.val == val){
                ListNode delNode = cur.next;
                cur.next = delNode.next;
            }
            else
                cur = cur.next;
        }

        return head;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = {1, 2, 6, 3, 4, 5, 6};
        int val = 6;

        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        (new Solution1()).removeElements(head, val);
        System.out.println(head);
    }
}

// 203. Remove Linked List Elements
// https://leetcode.com/problems/remove-linked-list-elements/description/
// 使用虚拟头结点
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution2 {

    public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {

        // 创建虚拟头结点
        ListNode dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead.next = head;

        ListNode cur = dummyHead;
        while(cur.next != null){
            if(cur.next.val == val ){
                ListNode delNode = cur.next;
                cur.next = delNode.next;
            }
            else
                cur = cur.next;
        }

        return dummyHead.next;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = {1, 2, 6, 3, 4, 5, 6};
        int val = 6;

        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        (new Solution1()).removeElements(head, val);
        System.out.println(head);
    }
}

// Definition for singly-linked list.
// 在Java版本中，我们将LinkedList相关的测试辅助函数写在ListNode里
public class ListNode {

    public int val;
    public ListNode next = null;

    public ListNode(int x) {
        val = x;
    }

    // 根据n个元素的数组arr创建一个链表
    // 使用arr为参数，创建另外一个ListNode的构造函数
    public ListNode (int[] arr){

        if(arr == null || arr.length == 0)
            throw new IllegalArgumentException("arr can not be empty");

        this.val = arr[0];
        ListNode curNode = this;
        for(int i = 1 ; i < arr.length ; i ++){
            curNode.next = new ListNode(arr[i]);
            curNode = curNode.next;
        }
    }

    // 返回以当前ListNode为头结点的链表信息字符串
    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder s = new StringBuilder("");
        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            s.append(Integer.toString(curNode.val));
            s.append(" -> ");
            curNode = curNode.next;
        }
        s.append("NULL");
        return s.toString();
    }
}
课后作业: LeetCode 82、21

5-4 复杂的穿针引线 Swap Nodes in Pairs

题目: LeetCode 24. 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。

示例:

给定 1->2->3->4, 你应该返回 2->1->4->3.
说明:

你的算法只能使用常数的额外空间。
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。

// 24. Swap Nodes in Pairs
// https://leetcode.com/problems/swap-nodes-in-pairs/description/
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution {

    public ListNode swapPairs(ListNode head) {

        ListNode dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead.next = head;

        ListNode p = dummyHead;
        while(p.next != null && p.next.next != null ){
            ListNode node1 = p.next;
            ListNode node2 = node1.next;
            ListNode next = node2.next;
            node2.next = node1;
            node1.next = next;
            p.next = node2;
            p = node1;
        }

        return dummyHead.next;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = {1, 2, 3, 4};

        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        head = (new Solution()).swapPairs(head);
        System.out.println(head);
    }
}

// Definition for singly-linked list.
// 在Java版本中，我们将LinkedList相关的测试辅助函数写在ListNode里
public class ListNode {

    public int val;
    public ListNode next = null;

    public ListNode(int x) {
        val = x;
    }

    // 根据n个元素的数组arr创建一个链表
    // 使用arr为参数，创建另外一个ListNode的构造函数
    public ListNode (int[] arr){

        if(arr == null || arr.length == 0)
            throw new IllegalArgumentException("arr can not be empty");

        this.val = arr[0];
        ListNode curNode = this;
        for(int i = 1 ; i < arr.length ; i ++){
            curNode.next = new ListNode(arr[i]);
            curNode = curNode.next;
        }
    }

    // 返回以当前ListNode为头结点的链表信息字符串
    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder s = new StringBuilder("");
        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            s.append(Integer.toString(curNode.val));
            s.append(" -> ");
            curNode = curNode.next;
        }
        s.append("NULL");
        return s.toString();
    }
}
课后作业: LeetCode 25、147、148

5-5 不仅仅是穿针引线 Delete Node in a Linked List

题目: LeetCode 237. 删除链表中的节点

请编写一个函数，使其可以删除某个链表中给定的（非末尾）节点，你将只被给定要求被删除的节点。

现有一个链表 – head = [4,5,1,9]，它可以表示为:

4 -> 5 -> 1 -> 9

示例 1:

输入: head = [4,5,1,9], node = 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], node = 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:

链表至少包含两个节点。
链表中所有节点的值都是唯一的。
给定的节点为非末尾节点并且一定是链表中的一个有效节点。
不要从你的函数中返回任何结果。

// 237. Delete Node in a Linked List
// https://leetcode.com/problems/delete-node-in-a-linked-list/description/
// 时间复杂度: O(1)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution {

    public void deleteNode(ListNode node) {

        // 注意: 这个方法对尾节点不适用。题目中要求了给定的node不是尾节点
        // 我们检查node.next, 如果为null则抛出异常, 确保了node不是尾节点
        if(node == null || node.next == null)
            throw new IllegalArgumentException("node should be valid and can not be the tail node.");

        node.val = node.next.val;
        node.next = node.next.next;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = {1, 2, 3, 4};

        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        ListNode node2 = head.findNode(2);
        (new Solution()).deleteNode(node2);
        System.out.println(head);
    }
}

// Definition for singly-linked list.
// 在Java版本中，我们将LinkedList相关的测试辅助函数写在ListNode里
public class ListNode {

    public int val;
    public ListNode next = null;

    public ListNode(int x) {
        val = x;
    }

    // 根据n个元素的数组arr创建一个链表
    // 使用arr为参数，创建另外一个ListNode的构造函数
    public ListNode (int[] arr){

        if(arr == null || arr.length == 0)
            throw new IllegalArgumentException("arr can not be empty");

        this.val = arr[0];
        ListNode curNode = this;
        for(int i = 1 ; i < arr.length ; i ++){
            curNode.next = new ListNode(arr[i]);
            curNode = curNode.next;
        }
    }

    ListNode findNode(int x){

        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            if(curNode.val == x)
                return curNode;
            curNode = curNode.next;
        }
        return null;
    }

    // 返回以当前ListNode为头结点的链表信息字符串
    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder s = new StringBuilder("");
        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            s.append(Integer.toString(curNode.val));
            s.append(" -> ");
            curNode = curNode.next;
        }
        s.append("NULL");
        return s.toString();
    }
}

5-6 链表与双指针 Remove Nth Node Form End of List

题目: LeetCode 19. 删除链表的倒数第N个节点

给定一个链表，删除链表的倒数第 n 个节点，并且返回链表的头结点。

示例：

给定一个链表: 1->2->3->4->5, 和 n = 2.

当删除了倒数第二个节点后，链表变为 1->2->3->5.
说明：

给定的 n 保证是有效的。

进阶：

你能尝试使用一趟扫描实现吗？

// 19. Remove Nth Node From End of List
// https://leetcode.com/problems/remove-nth-node-from-end-of-list/description/
//
// 先记录链表总长度
// 需要对链表进行两次遍历
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution1 {

    public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {

        ListNode dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead.next = head;

        int length = 0;
        for(ListNode cur = dummyHead.next ; cur != null ; cur = cur.next)
            length ++;

        int k = length - n;
        assert k >= 0;
        ListNode cur = dummyHead;
        for(int i = 0 ; i < k ; i ++)
            cur = cur.next;

        cur.next = cur.next.next;

        return dummyHead.next;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        head = (new Solution1()).removeNthFromEnd(head, 2);
        System.out.println(head);
    }
}

// 19. Remove Nth Node From End of List
// https://leetcode.com/problems/remove-nth-node-from-end-of-list/description/
//
// 使用双指针, 对链表只遍历了一遍
// 时间复杂度: O(n)
// 空间复杂度: O(1)
public class Solution2 {

    public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {

        ListNode dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead.next = head;

        ListNode p = dummyHead;
        ListNode q = dummyHead;
        for( int i = 0 ; i < n + 1 ; i ++ ){
            assert q != null;
            q = q.next;
        }

        while(q != null){
            p = p.next;
            q = q.next;
        }

        p.next = p.next.next;

        return dummyHead.next;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        ListNode head = new ListNode(arr);
        System.out.println(head);

        head = (new Solution2()).removeNthFromEnd(head, 2);
        System.out.println(head);
    }
}

// Definition for singly-linked list.
// 在Java版本中，我们将LinkedList相关的测试辅助函数写在ListNode里
public class ListNode {

    public int val;
    public ListNode next = null;

    public ListNode(int x) {
        val = x;
    }

    // 根据n个元素的数组arr创建一个链表
    // 使用arr为参数，创建另外一个ListNode的构造函数
    public ListNode (int[] arr){

        if(arr == null || arr.length == 0)
            throw new IllegalArgumentException("arr can not be empty");

        this.val = arr[0];
        ListNode curNode = this;
        for(int i = 1 ; i < arr.length ; i ++){
            curNode.next = new ListNode(arr[i]);
            curNode = curNode.next;
        }
    }

    ListNode findNode(int x){

        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            if(curNode.val == x)
                return curNode;
            curNode = curNode.next;
        }
        return null;
    }

    // 返回以当前ListNode为头结点的链表信息字符串
    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder s = new StringBuilder("");
        ListNode curNode = this;
        while(curNode != null){
            s.append(Integer.toString(curNode.val));
            s.append(" -> ");
            curNode = curNode.next;
        }
        s.append("NULL");
        return s.toString();
    }
}
课后作业: LeetCode 61、143、234

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