LeetCode 148. Sort List(链表排序,Medium)

LeetCode 148. Sort List (Medium

难度 : Medium

1、题目描述

Sort a linked list in O(n log n) time using constant space complexity.

排序一个链表,要求以 O(n log n) 的时间复杂度和常数级的空间复杂度。

例1 :

Input: 4->2->1->3
Output: 1->2->3->4

例2 :

Input: -1->5->3->4->0
Output: -1->0->3->4->5

2、分析

思考过程:

首先,看到题目排序且时间复杂度为 O(n log n),想到时间复杂度为 O(n log n) 的算法有归并排序,快速排序,堆排序。链表的链式结构不太容易抽象成堆,所以堆排序不合适。继续考虑归并和快拍。虽然归并排序在 merge 的时候需要开辟一个和原数组一样大小的空间(即 O(n) 的空间复杂度)用于将合并后的有序数组拷贝到原数组,但是对于链表的归并排序,可以直接在原链表的基础上对链表进行拆分合并,无需开辟新的链表。快排也是可以的,只不过没有改变链表节点的顺序,只是改变了节点里面的值

3、解法一: 归并排序、

解决步骤

根据归并排序的思想,递归的对链表进行查分,拆分的时候是以链表的中点为界限进行划分的,然后合并,在合并的时候进行外部排序。所以:

  1. 找链表的中点(快慢指针赛跑)。
  2. 以中点为界限,拆分链表。
  3. 合并拆分后的链表。

注意:在找中点的时候,当链表有偶数个节点时,我们找到中间两个节点中左边的那一个,因为头结点到 middle 为左半部分,middle->next 到链表结尾为有半部分。如果找的中点是中间两个节点的右边那一个,则无法确定左半部分的结束,并且当链表的节点只剩两个时,将无法划分下去。

代码

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* sortList(ListNode* head) {
        if(!head || !head->next){
            return head;
        }
        
        ListNode* right = sortList(slow->next);
        slow->next = NULL;
        ListNode* left = sortList(head);
        return mergeTwoLists(left, right);
    }
    
    ListNode* findMiddleNode(ListNode* head){
        //快慢指针赛跑法找中点
        ListNode* fast = head;
        ListNode* slow = head;
        while(fast && fast->next){
            fast = fast->next;
            if(fast->next){ //限制当有偶数个节点时,中点为中间两个的左边那一个。
                fast = fast->next;
                slow = slow->next;
            }
        }
    }
    
    ListNode* mergeTwoLists(ListNode* l1, ListNode* l2){
        if(!l1){
            return l2;
        }
        if(!l2){
            return l1;
        }
        if(l1->val < l2->val){
            l1->next = mergeTwoLists(l1->next, l2);
            return l1;
        }else{
            l2->next = mergeTwoLists(l1, l2->next);
            return l2;
        }
    }
};

4、解法二:快速排序

在进行 partion 划分的时候,可以以开始节点的 val 为参考值。用两个指针p1、p2,使得 p1 及其之前 [begin, p1] 的值都小于参考值,p1 到 p2 之间 (p1 p2] 的值都大于参考值。得到划分的节点位置后,再递归的对该划分节点左右两侧进行划分。

  1. p1 只想 begin 位置,p2 指向 begin 的 next位置,开始遍历
  2. 当 p2 位置的值大于参考值时,p2 往 next 方向移动一位,否则交换 p1->next 与 p2 的 val,然后p1、p2都往 next 方向移动一位
  3. 知道 p2 指向 end 位置结束遍历
  4. 结束遍历后,交换 begin 和 p1 的 val,返回 p1 节点。

代码如下:

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* sortList(ListNode* head) {
        if(!head || !head->next){
            return head;
        }
        ListNode* end = head;
        while(end->next){
            end = end->next;        
        }
        quickSort(head, NULL);
        return head;
    }
    void quickSort(ListNode* begin, ListNode* end){
        if(begin != end){
            ListNode* index = partion(begin, end);
            quickSort(begin, index);
            quickSort(index->next, end);
        }
    }
    
    ListNode* partion(ListNode* begin, ListNode* end){
        ListNode* p1 = begin;
        ListNode* p2 = p1->next;
        while(p2 != end){
            if(p2->val > begin->val){
                p2 = p2->next;
            }else{
                swap(p1->next->val, p2->val);
                p1 = p1->next;
                p2 = p2->next;
            }
        }
        swap(begin->val, p1->val);
        return p1;
    }
};

5、本题考点

这是一道综合性题目。涉及到 对几种排序的理解,还有链表找中点,合并两个有序链表。

链表找中点在 2019 年春招中被小米面试官问到,如何一次遍历就找到链表的中点。快慢指针赛跑法解决

合并两个有序链表为 LeetCode 21. Merge Two Sorted Lists。难度 easy。上边代码用的是递归的方式合并的,非递实现如下:

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* mergeTwoLists(ListNode* l1, ListNode* l2) {
        ListNode* head = new ListNode(0); //头插法
        ListNode* result = head;
        while(l1 && l2){
            if(l1->val < l2->val){
                head->next = l1;
                l1 = l1->next;
            }else{
                head->next = l2;
                l2 = l2->next;
            }
            head = head->next;
        }
        if(l1){
            head->next = l1;
        }
        if(l2){
            head->next = l2;
        }
        return result->next;
    }
};

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