链表 - 代码随想录

链表

链表刷题记录，基于代码随想录整理。

  • 203 移除链表元素（虚拟头结点）
  • 707 设计链表（五大操作）
  • 206 反转链表（双指针 / 递归）
  • 24 两两交换链表中的节点（虚拟头结点 + 模拟）
  • 19 删除链表的倒数第 N 个结点（双指针）
  • 160 链表相交（对齐尾部 + 双指针）
  • 142 环形链表 II（快慢指针 + 数学推导）
  • 虚拟头结点：203、707、24
  • 双指针：19、160
  • 快慢指针：142
  • 反转：206（双指针 / 递归）

203. 移除链表元素

问题描述

给你一个链表的头节点 head 和一个整数 val ，请你删除链表中所有满足 Node.val == val 的节点，并返回 新的头节点 。

示例 1：

img

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输入：head = [1,2,6,3,4,5,6], val = 6
输出：[1,2,3,4,5]

示例 2：

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输入：head = [], val = 1
输出：[]

示例 3：

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输入：head = [7,7,7,7], val = 7
输出：[]

提示：

  • 列表中的节点数目在范围 [0, 104] 内
  • 1 <= Node.val <= 50
  • 0 <= val <= 50

思路

这里主要两种方式：

  • 直接使用原来的链表来进行删除操作。

    • 局限：当删除头节点时，需要单独定义一段逻辑，不统一

    203_链表删除元素1

  • 设置一个虚拟头结点在进行删除操作。（推荐！！）

    • return 头结点的时候，别忘了 return dummyNode->next;

203_链表删除元素6

注：使用C++来做leetcode，如果移除一个节点之后，没有手动在内存中删除这个节点，leetcode依然也是可以通过的，只不过，内存使用的空间大一些而已，但建议依然要养成手动清理内存的习惯。

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/**
 * 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* removeElements(ListNode* head, int val) {
        ListNode* dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead->next = head;
        ListNode* cur = dummyHead;
        while(cur->next != nullptr){
            if(cur->next->val == val){
                ListNode* tmp = cur->next;
                cur->next = cur->next->next;
                delete tmp;
            }else{
                cur = cur->next;
            }
        }
        return dummyHead->next;
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)
  • 空间复杂度：O(1)

707. 设计链表

问题描述

你可以选择使用单链表或者双链表，设计并实现自己的链表。

单链表中的节点应该具备两个属性：val 和 next 。val 是当前节点的值，next 是指向下一个节点的指针/引用。

如果是双向链表，则还需要属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点下标从 0 开始。

实现 MyLinkedList 类：

  • MyLinkedList() 初始化 MyLinkedList 对象。
  • 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 addAtHead(int val) 将一个值为 val 的节点插入到链表中第一个元素之前。在插入完成后，新节点会成为链表的第一个节点。
  • void addAtTail(int val) 将一个值为 val 的节点追加到链表中作为链表的最后一个元素。
  • 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。
  • void deleteAtIndex(int index) 如果下标有效，则删除链表中下标为 index 的节点。

示例：

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输入
["MyLinkedList", "addAtHead", "addAtTail", "addAtIndex", "get", "deleteAtIndex", "get"]
[[], [1], [3], [1, 2], [1], [1], [1]]
输出
[null, null, null, null, 2, null, 3]

解释
MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();
myLinkedList.addAtHead(1);
myLinkedList.addAtTail(3);
myLinkedList.addAtIndex(1, 2);    // 链表变为 1->2->3
myLinkedList.get(1);              // 返回 2
myLinkedList.deleteAtIndex(1);    // 现在，链表变为 1->3
myLinkedList.get(1);              // 返回 3

提示：

  • 0 <= index, val <= 1000
  • 请不要使用内置的 LinkedList 库。
  • 调用 get、addAtHead、addAtTail、addAtIndex 和 deleteAtIndex 的次数不超过 2000 。

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class MyLinkedList {
public:
    struct LinkedNode{
        int val;
        LinkedNode* next;
        LinkedNode(int _val):val(_val),next(nullptr){}
    };
    MyLinkedList() {
        _size=0;
        dummyhead = new LinkedNode(0);
    }
    
    int get(int index) {
        if(index >= _size || index < 0) return -1;
        LinkedNode* cur = dummyhead->next;
        while(index--){
            cur = cur->next;
        }
        return cur->val;
    }
    
    void addAtHead(int val) {
        LinkedNode* node = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = dummyhead;
        node->next = cur->next;
        cur->next = node;
        _size++;
    }
    
    void addAtTail(int val) {
        LinkedNode* node = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = dummyhead;
        while(cur->next!=nullptr){
            cur = cur->next;
        }
        cur->next = node;
        _size++;
    }
    
    void addAtIndex(int index, int val) {
        if(index>_size || index<0) return;
        LinkedNode* node = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = dummyhead;
        while(index--){
            cur = cur->next;
        } 
        node->next = cur->next;
        cur->next = node;
        _size++;
    }
    
    void deleteAtIndex(int index) {
        if(index>=_size || index<0) return;
        LinkedNode* cur = dummyhead;
        while(index--){
            cur = cur->next;
        }
        LinkedNode* tmp = cur->next;
        cur->next = cur->next->next;
        delete tmp;
        _size--;
    }
private:
    int _size;
    LinkedNode* dummyhead;
};

/**
 * 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);
 */
  • 时间复杂度：涉及 index 的相关操作为 O(index)，其余为 O(1)
  • 空间复杂度：O(n)

206. 反转链表

问题描述

给你单链表的头节点 head ，请你反转链表，并返回反转后的链表。

示例 1：

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输入：head = [1,2,3,4,5]
输出：[5,4,3,2,1]

示例 2：

img

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输入：head = [1,2]
输出：[2,1]

示例 3：

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输入：head = []
输出：[]

提示：

  • 链表中节点的数目范围是 [0, 5000]
  • -5000 <= Node.val <= 5000

进阶： 链表可以选用迭代或递归方式完成反转。你能否用两种方法解决这道题？

思路

双指针法

只需改变链表的next指针的指向，就可将链表反转，而不用重新定义一个新的链表，如图所示:

206_反转链表

之前链表的头节点是元素1， 反转之后头结点就是元素5 ，这里并没有添加或者删除节点，仅仅是改变next指针的方向。

  • 定义一个cur指针，指向头结点；
  • 定义一个pre指针，初始化为null；
  • 将 cur->next 节点用tmp 指针保存，然后将cur->next 指向pre ，此时已反转第一个节点；
  • 接下来，继续移动pre和cur指针；
  • 最终，cur 指针指向了null，循环结束，此时pre指向新的头结点，return pre。
递归法

其实和双指针法是一样的逻辑，同样是当cur为空的时候循环结束，不断将cur指向pre的过程。

采用递归法时，需关注：递归结束条件、返回类型、输入参数。

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/**
 * 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* reverseList(ListNode* head) {
        ListNode* pre = nullptr;
        ListNode* cur = head;
        ListNode* tmp;
        while(cur != nullptr){
            tmp = cur->next;
            cur->next = pre;
            pre = cur;
            cur = tmp;
        }
        return pre;
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)
  • 空间复杂度：O(1)
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class Solution {
public:
    //本质上其实就是两两节点反转
    ListNode* reverse(ListNode* cur, ListNode* pre){
        if(cur==nullptr)    return pre;
        ListNode* tmp = cur->next;
        cur->next = pre;
        return reverse(tmp, cur); 
    }
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        return reverse(head,nullptr);
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)，要递归处理链表的每个节点
  • 空间复杂度：O(n)，递归调用了 n 层栈空间

24. 两两交换链表中的节点

问题描述

给你一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后链表的头节点。你必须在不修改节点内部的值的情况下完成本题（即，只能进行节点交换）。

示例 1：

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输入：head = [1,2,3,4]
输出：[2,1,4,3]

示例 2：

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输入：head = []
输出：[]

示例 3：

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输入：head = [1]
输出：[1]

提示：

  • 链表中节点的数目在范围 [0, 100] 内
  • 0 <= Node.val <= 100

思路

一定要动手，不要眼高手低！一定要画图，不画图，操作多个指针容易乱，要了解操作的先后顺序！

两两交换

两两交换操作步骤

以 pre → A → B → C 为例，目标是交换 A 和 B：

  1. pre->next = B（pre 指向 B）
  2. B->next = A（B 指向 A，即原来 A 的位置）
  3. A->next = C（A 指向 B 原来的下一个节点 C）
  4. 移动 pre = A，cur = C，继续下一对交换

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/**
 * 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) {
        ListNode* dummyhead = new ListNode();
        dummyhead->next = head;
        ListNode* pre = dummyhead;
        ListNode* cur = head;
        ListNode* tmp;
        while(cur!=nullptr && cur->next!=nullptr){
            tmp = cur->next->next;
            pre->next = cur->next;
            pre->next->next = cur;
            cur->next = tmp;
            pre = cur;
            cur = tmp;
        }
        return dummyhead->next;
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)
  • 空间复杂度：O(1)

19. 删除链表的倒数第 N 个结点

问题描述

给你一个链表，删除链表的倒数第 n 个结点，并且返回链表的头结点。

示例 1：

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

示例 2：

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输入：head = [1], n = 1
输出：[]

示例 3：

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输入：head = [1,2], n = 1
输出：[1]

提示：

  • 链表中结点的数目为 sz
  • 1 <= sz <= 30
  • 0 <= Node.val <= 100
  • 1 <= n <= sz

进阶： 你能尝试使用一趟扫描实现吗？

思路

双指针的经典应用： 若要删除倒数第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。

  • fast = head，slow = dummyhead；
  • 注： fast相对于dummyhead先走n + 1步，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；

一定要动手模拟一下！！！！

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/**
 * 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* removeNthFromEnd(ListNode* head, int n) {
        ListNode* dummyhead = new ListNode(0);
        dummyhead->next = head;
        ListNode* slow = dummyhead;
        ListNode* fast = head; //fast提前走一步这样使slow最终指向删除节点的前一个
        while(n-- && fast!=nullptr){
            fast = fast->next;
        }
        while(fast!=nullptr){
            fast = fast->next;
            slow = slow->next;
        }
        ListNode* tmp = slow->next;
        slow->next = slow->next->next;
        delete tmp;
        return dummyhead->next;
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)
  • 空间复杂度：O(1)

160. 链表相交

问题描述

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 。

图示两个链表在节点 c1 开始相交：

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题目数据 保证 整个链式结构中不存在环。

注意，函数返回结果后，链表必须 保持其原始结构 。

示例 1：

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输入：intersectVal = 8, listA = [4,1,8,4,5], listB = [5,0,1,8,4,5], skipA = 2, skipB = 3
输出：Intersected at '8'
解释：相交节点的值为 8 （注意，如果两个链表相交则不能为 0）。
从各自的表头开始算起，链表 A 为 [4,1,8,4,5]，链表 B 为 [5,0,1,8,4,5]。
在 A 中，相交节点前有 2 个节点；在 B 中，相交节点前有 3 个节点。

示例 2：

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输入：intersectVal = 2, listA = [0,9,1,2,4], listB = [3,2,4], skipA = 3, skipB = 1
输出：Intersected at '2'
解释：相交节点的值为 2 （注意，如果两个链表相交则不能为 0）。
从各自的表头开始算起，链表 A 为 [0,9,1,2,4]，链表 B 为 [3,2,4]。
在 A 中，相交节点前有 3 个节点；在 B 中，相交节点前有 1 个节点。

示例 3：

img

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输入：intersectVal = 0, listA = [2,6,4], listB = [1,5], skipA = 3, skipB = 2
输出：null
解释：从各自的表头开始算起，链表 A 为 [2,6,4]，链表 B 为 [1,5]。
由于这两个链表不相交，所以 intersectVal 必须为 0，而 skipA 和 skipB 可以是任意值。
这两个链表不相交，因此返回 null 。

提示：

  • listA 中节点数目为 m
  • listB 中节点数目为 n
  • 0 <= m, n <= 3 * 104
  • 1 <= Node.val <= 105
  • 0 <= skipA <= m
  • 0 <= skipB <= n
  • 如果 listA 和 listB 没有交点，intersectVal 为 0
  • 如果 listA 和 listB 有交点，intersectVal == listA[skipA + 1] == listB[skipB + 1]

进阶： 你能否设计一个时间复杂度 O(n) 、仅用 O(1) 内存的解决方案？

思路

简单来说，就是求两个链表交点节点的指针 是否相等，交点不是数值相等；

两个链表若相交，那么剩余的节点数一定是相同的；

  • 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；
  • 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。

面试题02.07.链表相交_2

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/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode *getIntersectionNode(ListNode *headA, ListNode *headB) {
        ListNode* curA = headA;
        ListNode* curB = headB;
        int lenA=0;
        int lenB=0;
        while(curA != NULL){
            curA = curA->next;
            lenA++;
        }
        while(curB != NULL){
            curB = curB->next;
            lenB++; 
        }
        if(lenA < lenB){ //curA始终指向较长的链表
            curA = headB;
            curB = headA;
        } else{
            curA = headA;
            curB = headB;
        }
        //统一格式，curA始终定义成长链表
        int diff = abs(lenA-lenB);
        while(diff--){
            curA = curA->next;
        }
        while(curA!=NULL && curB!=NULL){
            if(curA == curB){
                return curA;
            }
            curA = curA->next;
            curB = curB->next;
        }
        return NULL;

    }
};
  • 时间复杂度：O(n + m)
  • 空间复杂度：O(1)

142. 环形链表 II

问题描述

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：

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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：

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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：

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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

进阶： 你是否可以使用 O(1) 空间解决此题？

思路

主要考察两知识点：

  • 判断链表是否环
  • 如果有环，如何找到这个环的入口
判断链表是否有环

快慢指针法，分别定义 fast 和 slow 指针，从头结点出发，fast指针每次移动两个节点，slow指针每次移动一个节点，如果 fast 和 slow指针在途中相遇 ，说明这个链表有环。

  • 相对于slow来说，fast是一个节点一个节点的靠近slow的，所以fast一定可以和slow重合。

141.环形链表

如何找到这个环的入口

假设从头结点到环形入口节点 的节点数为x。 环形入口节点到 fast指针与slow指针相遇节点 节点数为y。 从相遇节点 再到环形入口节点节点数为 z。 所以要找环形的入口，就要求解x，因为x表示 头结点到 环形入口节点的的距离。

环入口推导过程
  • (x + y) * 2 = x + y + n (y + z) （fast指针走过的节点数 = slow指针走过的节点数 * 2）
  • 化简：x = (n - 1) (y + z) + z
  • 从头结点出发一个指针index1，从相遇节点 也出发一个指针index2，两个指针每次只走一个节点， 那么当这两个指针相遇的时候就是 环形入口的节点。index2 指针在环里多转了(n-1)圈。

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代码

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/**
 * 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) {
        ListNode* slow = head;
        ListNode* fast = head;
        while(fast!=NULL && fast->next!=NULL){
            slow = slow->next;
            fast = fast->next->next;
            //判断是否有环
            if(slow == fast){
                ListNode* pre = slow;
                ListNode* cur = head;
                //求相交点
                while(pre != cur){
                    pre = pre->next;
                    cur = cur->next;
                } 
                return pre;
            }
        }
        return NULL;
    }
};
  • 时间复杂度：O(n)，快慢指针相遇前，指针走的次数小于链表长度，快慢指针相遇后，两个指针走的次数也小于链表长度，总体为走的次数小于 2n
  • 空间复杂度：O(1)

总结

虚拟头结点： 统一头结点和其他节点的处理情况，避免对头结点的单独判断。
设计链表常见的五个操作： 获取第 index 个节点的值、在头部/尾部/指定位置插入节点、删除指定位置的节点。
双指针法： 快慢指针先行 n 步实现倒数定位；长短链表对齐实现相交检测。
快慢指针： 判环 + 数学推导求环入口。
反转链表： 双指针迭代与递归两种写法，核心都是逐节点翻转 next 指向。
一定要动手模拟！！