算法06链表

算法06链表

  • 一、链表概述
    • 1.1概述
    • 1.2链表的组成部分:
    • 1.3链表的优缺点:
  • 二、链表典例
    • 力扣707.设计链表
      • 难点分析:
        • (1)`MyLinkedList`成员变量的确定:
        • (2)初始化自定义链表:
        • (3)底层链表的选择:
    • 完整代码:
    • 力扣206.翻转链表
      • 难点分析:
        • (1)翻转方式的选择:
      • 完整代码:
        • (1)借助栈翻转:
        • (2)原地翻转:
    • 力扣92.翻转链表Ⅱ
    • 力扣.24两两交换链表中的节点
      • 难点分析:
        • (1)处理边界:
      • 完整代码:
    • 力扣.19删除链表倒数第n个节点
      • 难点分析
      • 完整代码
    • 力扣142.环形链表
      • 难点分析:
      • 完整代码:
        • 哈希法:
        • 逻辑推导+快慢指针
  • 三、感受与思考

一、链表概述

在这里插入图片描述

1.1概述

在C++中,链表是一种线性数据结构,但它并不像数组那样在内存中存储连续的元素,而是通过每个元素(通常称为节点)包含一个指向下一个节点的指针来链接各个元素。链表的节点通常包含两部分:数据域(存储元素值)和指针域(存储指向下一个节点的指针)。

1.2链表的组成部分:

  1. 节点(Node)
    一个节点通常定义为一个结构体或类,包含数据和指向下一个节点的指针(在单链表中),或者前后节点指针(在双向链表中)。

    // 单链表节点示例
    struct ListNode {int value; // 数据域ListNode* next; // 指针域,指向下一个节点
    };
    
  2. 链表操作

    • 创建链表:链表通常从一个空节点(即头节点)开始,头节点的 next 指针可能指向实际数据的第一个节点,也可能为空(表示链表为空)。
    • 插入节点:在链表的任意位置插入一个新节点,涉及更改相应节点的指针以建立新的链接关系。
    • 删除节点:从链表中移除一个节点,需要更新其前驱节点的指针跳过被删除节点。
    • 遍历链表:通过从头节点开始,沿着 next 指针逐个访问节点,直至遇到 nextnullptr 的节点(链表尾部)。
    • 查找节点:通过遍历链表查找具有特定值的节点。

1.3链表的优缺点:

  • 优点
    • 动态扩展:无需预先知道数据规模,可以根据需要动态添加或删除节点。
    • 插入和删除效率较高:在链表头部或尾部插入和删除的时间复杂度一般为O(1),在中间插入和删除的时间复杂度为O(n)(需要找到插入或删除位置)。
  • 缺点
    • 访问效率相对较低:随机访问一个节点的时间复杂度为O(n),因为需要从头节点开始顺着指针找到目标节点。
    • 需要额外存储指针的空间开销。

在实际编程中,链表还会有多种变形,比如双向链表循环链表带头节点的链表等,每种都有其特定的应用场景和操作特点。

二、链表典例

力扣707.设计链表

原题链接

难点分析:

/*** 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);*/
(1)MyLinkedList成员变量的确定:

由题目中透露出的信息:

  • 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 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。

我们可以知道,我们最好进行链表长度的维护,这样在验证index的合法性时,不需要每一次都遍历整个链表,直接调用我们维护的长度即可:

    //选择单链表作为此类的底层实现,定义单链表结构体struct ListNode{int val; //值ListNode* next; //链,指向下一个节点的内存地址ListNode(int val):val(val), next(nullptr){}};//虚拟头节点,简化代码,后面详细介绍ListNode* _dummyNode;//维护链表长度int _size;
(2)初始化自定义链表:

力扣在进行代码测试时,会将MyLinkedList初始化为一个对象,后续所有函数调用都是通过这个对象进行的,因此我们需要对这个对象进行初始化,即编写构造函数

    //类的构造函数,初始化自定义链表对象MyLinkedList() {//初始化虚拟头节点,统一节点的删除操作_dummyNode = new ListNode(0); //调用底层链表有参构造函数初始化_size = 0; //虚拟头节点不计入长度计算}
(3)底层链表的选择:

MyLinkedList这个类需要基于单链表或双向链表实现,不同的选择会写出不同的代码,我为了优化代码,选择了带虚拟头结点的链表(单链表)作为底层数据结构。

    //定义单链表结构体struct ListNode{int val; //值ListNode* next; //链,指向下一个节点的内存地址ListNode(int val):val(val), next(nullptr){}};

完整代码:

class MyLinkedList {
private://定义单链表结构体struct ListNode{int val; //值ListNode* next; //链,指向下一个节点的内存地址ListNode(int val):val(val), next(nullptr){}};ListNode* _dummyNode;int _size;public://类的构造函数,初始化自定义链表对象MyLinkedList() {//初始化虚拟头节点,统一节点的删除操作_dummyNode = new ListNode(0); //调用有参构造函数初始化_size = 0; //虚拟头节点不计入长度计算}int get(int index) {if(_size == 0 || index > _size - 1|| index < 0){return -1;}else{//链表是链式的,在内存中是随机分布的,并不是线性连续,因此不能随机访问,而是通过指针连接ListNode* cur = _dummyNode->next;while(index--){cur = cur->next;}return cur->val;}}void addAtHead(int val) {//申请内存,生成新节点ListNode* newNode = new ListNode(val);//插入头节点newNode->next = _dummyNode->next;_dummyNode->next = newNode;//维护链表长度_size++;}void addAtTail(int val) {//申请内存,生成新节点ListNode* newNode = new ListNode(val);//移动指针,找到最后一个链表节点int index = _size;ListNode* cur = _dummyNode;while(cur->next != nullptr){cur = cur->next;}cur->next = newNode;_size++;}void addAtIndex(int index, int val) {if(index > _size) return;if(index < 0) index = 0;//申请内存,生成新节点ListNode* newNode = new ListNode(val);//移动指针到达index下标对应节点的前一个位置//_dummyNode开始指向虚拟节点ListNode* cur = _dummyNode;while(index--){cur = cur->next;}newNode->next = cur->next;cur->next = newNode;_size++;}void deleteAtIndex(int index) {if (index >= _size || index < 0) {return;}ListNode* cur = _dummyNode;while(index--){cur = cur->next;}ListNode* temp = cur->next;cur->next= cur->next->next; delete temp;//避免野指针temp = 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);*/

力扣206.翻转链表

原题链接

难点分析:

(1)翻转方式的选择:

在提及翻转一个字符串或数组时,我们常常想到STL中的reverse()函数,如果题目中不允许我们使用,那么我们可以使用双指针,一个指针指向待翻转的序列的首元素,另一个指针指向序列的尾元素,向中间循环迭代,交换两个指针指向的元素:

void reverseString(vector<char>& s) {for (int i = 0, j = s.size() - 1; i < s.size()/2; i++, j--) {swap(s[i],s[j]);}
}

这种方式是基于数组可以随机存取的,由于有这个性质,用上述双指针方式实现序列翻转十分优美,但是链表并不能随机存取,我们每次寻找到前后两个要交换的元素需要维护很多额外的变量,因此链表不适合这种翻转方式。结合链表的性质,我们可以使用两种翻转策略:

  • 原地翻转:考虑链表的指针域的特点,改变链表中所有节点的指针指向,即node1->node2变为node1<-node2
  • 借助额外的空间:利用栈先后进先的特点,实现翻转

完整代码:

(1)借助栈翻转:
class Solution {
public:ListNode* reverseList(ListNode* head) {if(head == nullptr) return nullptr;// 利用栈的性质,将链表的节点逆序链接,形成一个新的链表std::stack<ListNode*> st;// 定义一个指针遍历链表,装栈ListNode* cur = head;while (cur != nullptr) {// 向栈中压入当前节点的地址st.push(cur);// 指针向后移动cur = cur->next;}// 翻转后的链表的头节点是栈顶元素ListNode* newHead = st.top();st.pop();ListNode* pre = newHead;while (!st.empty()) {// 取当前栈顶元素,栈顶元素是一个存储ListNode类型的地址,可以用指针变量暂存ListNode* newNode = st.top();// 上一个已经出栈节点的指针域指向当前的栈顶元素pre->next = newNode;// 更新栈顶元素的 next 指针为 nullptr,断开原链表的原始链接newNode->next = nullptr;st.pop();pre = newNode;}return newHead;}
};
(2)原地翻转:
class Solution {
public:ListNode* reverseList(ListNode* head) {if(head == nullptr) return nullptr;//定义一个指针,实现链表的遍历ListNode* cur = head;//定义一个指针,实现链表的翻转ListNode* pre = nullptr;//定义一个临时指针,用于存放下一个节点位置ListNode* temp;while(cur){//暂存当前节点的下一个节点temp = cur->next;//翻转cur->next = pre; //将cur指向(连接)上一个节点,也断开了cur当前指向的节点与原链表下一个节点之间的链接//迭代(移动cur和pre)pre = cur; //将pre移动到本次处理的位置cur = temp; //cur移动到本次处理的下一个位置}return pre;}
};

力扣92.翻转链表Ⅱ

原题链接
这道题力扣的官方题解很详尽了,我这里提供一种借助"空间换时间"的解法:

/*** 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* reverseBetween(ListNode* head, int left, int right) {//本题链表的下标从1开始,并且链表中至少有一个元素//本题提供的左右边界一定是合法的//如果只有一个节点,或者只翻转1个节点,不论如何翻转都是一样的,可以直接返回if(head->next == nullptr || left == right) return head;//难点://1.如何确定开始翻转的位置//2.如何确定终止翻转的位置//3.如何正确处理边界问题://边界情况://(1)整个链表都需要翻转// (2)left是链表第一个节点// (2)right是链表最后一个节点//思路:引入栈,将需要翻转局部的节点压入栈中,"倒出"实现局部翻转stack<ListNode*> st;//引入虚拟头节点,处理左边界问题ListNode* dummyNode = new ListNode({0, head});ListNode* cur = dummyNode;int cnt = 0; //记录cur当前的位置while(cur->next != nullptr){//还没到开始翻转的左边界,继续向链表后面遍历//如果到了翻转局部的前一个节点,就要开始处理了if(cnt < left - 1){cur = cur->next;//每到达一个节点,计数器加一cnt++;continue;}else if(cnt <= right){//翻转范围之前的节点//记录,用于链表的整体串联ListNode* pre = cur;//从翻转范围的第一个元素开始入栈cur = cur->next;cnt++;//标志变量,right就是链表的最后一个元素bool flag = false;//只要在链表中的位置不超过right,都入栈while(cnt <= right){st.push(cur);//只有下一个节点不为空,才迭代指针curif(cur->next != nullptr){cur = cur->next;}else{//如果在cnt<=right的情况下,发生了下一个节点为空的情况,说明right位置就是链表的最后一个节点flag = true;}             cnt++;}//翻转范围内的元素全部入栈完毕,开始翻转while(!st.empty()){ListNode* temp = st.top();//链接pre->next = temp;//指针后移pre = temp;pre->next = nullptr; //断开原来的链接st.pop();}if(!flag)pre->next = cur;}else{break;}}return dummyNode->next;}
};

力扣.24两两交换链表中的节点

原题链接
这道题其实是力扣25.k个一组翻转一次的简化版,两两交换不就是两个一组翻转一次吗?
我在字节客户端一面是遇到了这道算法题。

难点分析:

(1)处理边界:

这道题引入头节点就可以很方便地处理边界问题,简单模拟就可以实现交换

完整代码:

/*** 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) {//模拟交换,引入虚拟头节点简化边界处理ListNode* dummyNode = new ListNode(0);dummyNode->next = head;ListNode* cur = dummyNode;while(cur->next != nullptr && cur->next->next != nullptr){//以4个节点为1组,交换中间两个节点,1号和4号节点用于处理边界问题//保存1号节点的地址ListNode* temp1 = cur->next;//保存4号节点的地址ListNode* temp2 = cur->next->next->next;//1号节点连接3号节点cur->next = cur->next->next;//将3号节点连接上2号节点cur->next->next = temp1;//将2号节点的连接4号节点cur->next->next->next = temp2;//cur移动两位,准备下一轮cur = cur->next->next;}return dummyNode->next;}
};

力扣.19删除链表倒数第n个节点

原题链接

难点分析

这道题遍历两次,一次找出链表长度,另一次定位删除的节点并删除,解决起来不难,难的是一次遍历就解决完成删除

完整代码


class Solution {
public:ListNode* removeNthFromEnd(ListNode* head, int n) {//思路:使用双指针,只扫描一次链表//具体步骤://(1)快指针从虚拟头节点开始,先移动n步//(2)然后快慢指针同时移动,直至快指针到达链表末尾ListNode* dummyHead = new ListNode(0);dummyHead->next = head;ListNode* fastIndex = dummyHead;ListNode* lowIndex = dummyHead;while(fastIndex->next != nullptr){//n--是先减1,最后会少移动一次if(n-- > 0)//快指针先向后移动n个位置fastIndex = fastIndex->next;else{fastIndex = fastIndex->next;lowIndex = lowIndex->next;}}//删除慢指针后面的一个节点ListNode* temp = new ListNode();temp = lowIndex->next;lowIndex->next = temp->next;delete temp;return dummyHead->next;}
};

力扣142.环形链表

原题链接

难点分析:

(1)这道题用哈希法比较容易解决:持续向后遍历链表节点,如果同一个链表节点(这里的相同指的是存储节点的地址及地址中的内容都相同)出现了两次,那么就是环的入口节点。
(2)哈希法是一种“空间换时间”的解法,需要借助额外的空间,空间复杂度:O(N)),其中 N 为链表中节点的数目。我们需要将链表中的每个节点都保存在哈希表当中。
(3)除此了哈希法,还可以借助逻辑推导,不借助额外的空间,这是力扣官方题解中的一种解法。

完整代码:

哈希法:
/*** 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) {//思路:哈希法//第一个遍历到的键就是环的起点unordered_set<ListNode*> mySet;ListNode* dummyHead = new ListNode(0);dummyHead->next = head;ListNode* cur = dummyHead;while(cur->next != NULL){if(mySet.count(cur->next)){return cur->next;}mySet.insert(cur->next);cur = cur->next;}return NULL;}
};
逻辑推导+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) {//快慢指针法+公式推导//快慢指针法(双指针)常常被用来解决寻找环的入口、寻找两序列公共尾部入口、寻找距离尾部的第n个节点的问题//a = c + (n-1)*(b+c):表明在到达相遇点后,如果有一个点从头节点出发,一步一步走,相遇的位置就是环的入口ListNode* fast = head;ListNode* slow = head;//寻找快慢指针的相遇点, 相遇后自动退出循环,即退出循环时,fast指针和slow指针在它们第一次相遇的节点上while(true){//如果还没有相遇就到达了链表尾部,表明这是一个无环的链表//情况1是空链表,情况2是链表中只有一个节点if(fast == nullptr || fast->next ==nullptr){return nullptr;}//有环,但是还没有相遇,继续走fast = fast->next->next;slow = slow->next;if(fast == slow) break;}//可以执行后面的代码说明一定有环//定义一个指针从头开始与slow同距离运动ListNode* ptr = head; //可以与slow同距离,也可以是fast//ptr和slow相遇的节点就是环的入口节点while(ptr != slow){ptr = ptr->next;slow = slow->next;}return ptr;}
};

三、感受与思考

前几天在接受字节客户端一面时,遇到了k组翻转链表的问题,在面试小哥的提示下用栈写出来了,但不知道能不能AC,痛定思痛,这一两周把《代码随想录》中的链表题目都做完了。
链表涉及的题型目前我主要了解了几种:

  • 翻转链表
  • 链表的环
  • 链表节点的增删改查
  • 两个链表的关系

在做题时,应当考虑链表的边界处理,考虑引入数据结构协助问题的解决,考虑引入双指针(快慢指针)。如果要充分锻炼自己,还要尝试使用数学推导,以思考换空间和时间

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