手撕代码 之 环形链表

1. 环形链表的判定

• 问题描述

  给定一个单链表，判断链表中是否存在环。

• 解题思路

  设定两个指针：快指针_fast与慢指针_slow。 二者从链表头节点同时开始向后移动，快指针每次移动2步，即_fast = _fast.next.next；慢指针每次移动1步，即_slow = _slow.next。
  若链表中存在环，那么在经过若干步后，二者一定能够相遇；否则，快指针_fast则会到达NULL。
  并且，由于在每一步中，_fast指针都会比慢指针_slow多走一步，所以在二者相遇的时刻，慢指针一定还没有走完这个环。

  class Node{
    int val;
    Node next;
  }
  
  public boolean isCyclic(Node head){
    if(head==null)  return false;
    Node fast = head, slow = head;
    while(slow!=null && fast!=null && fast.next!=null){
      fast = fast.next.next;
      slow = slow.next;
      if(slow == fast)
        return true;
    } 
    return false;
  }  
  

2. 环形链表的环入口

• 问题描述

  给定一个有环单链表，找到该有环链表的入环节点。

• 解题思路

  在 1 的基础上，我们知道在二者相遇时_slow还没有走完链表。设两个指针的相遇点距离入环点的距离为x，链表起点距离入环点的距离为a，链表的总长度为L，环的长度为r，则有

• 慢指针走的距离： a + x
• 快指针走的距离： a + x + n*r (n为快指针多走的圈数)
• 由于慢指针每走一步，快指针走两步，故有： 2 * (a + x) = a + x + n * r
  所以： a + x = n * r
• 我们对这个式子进行转换一下， 有： a = (r-x) + (n-1) * r

那么，这个式子说明了什么呢？很明显，等号左侧是从链表起点到入环节点的距离；对于等号右边，前一项(r-x) 表示的是从快慢指针相遇的位置到下一次来到入环节点的距离，后一项表示若干个环的距离。由此我们就得到了这个问题的答案：

当快慢指针相遇时，我们使用两个指针分别指向链表的头节点和相遇节点，然后二者同时移动，每次移动一步，那么下一次二者相遇的节点就是入环节点。

class Node{
  int val;
  Node next;
}

public boolean cyclicEntrance(Node head){
  if(head==null)  return null;
  Node fast = head, slow = head;
  Node p2 = null;
  while(slow != null && fast!=null && fast.next != null){
    fast = fast.next.next;
    slow = slow.next;
    if(slow == fast){
      p2 = slow;
      break;
    }
  } 
  Node p1 = head;
  while(p1 !=null && p2 != null){
    if(p1 == p2)  return p1;
    p1 = p1.next;
    p2 = p2.next;
  }
}  

3. 求解环上的节点数目

• 问题描述

  给定一个有环单链表，求解环上的节点数目。

• 解题思路

  • 思路 1

  从 1 中快慢指针的相遇节点开始，继续让快慢指针向前走，那么下一次相遇时，快指针一定比慢指针多走了一个环的距离。

  • 思路 2

  根据 2 中的入环节点，从它出发，下次在来到这个节点，那么就是走了一个环的距离。

  class Node{
    int val;
    Node next;
  }
  
  public boolean cyclicLenght(Node head){
    if(head==null)  return 0;
    Node fast = head, slow = head;
    while(slow != null && fast!=null && fast.next != null){
      fast = fast.next.next;
      slow = slow.next;
      if(slow == fast)
        break;
    } 
    int counter = 0;
    while(true){
      slow = slow.next;
      fast = fast.next.next;
      counter += 1;
      if(slow == fast)  return counter;
    }
  }  
  

4. 两个链表是否相交(拓展题)

• 问题描述

  给定两个单链表 A 和 B，判断二者是否相交。

• 解题思路

  对于这个问题，我们可以分三种情况讨论：

  1. 两个链表中均没有环；
  2. 两个链表中其中一个有环；
  3. 两个链表中均有环。

  对于情况1，除了采用Hash的方法，我们还可以采用两种更优雅的方式。
  (1) 我们可以将 A 的尾节点指向 B 的头节点，这样假设A 和 B存在交点，那么在这个链表中一定会存在一个环。这样就将这个题目转化为判断一个链表是否有环的问题，方法见1. 环形链表的判定。
  (2) 假设两个链表存在交点，那么二者的尾节点一定是相同的。那么我们只需要将两个链表均找到其尾节点，判断是否相同即可。

  对于情况2，如果 A 和 B 中只有一个存在环，那么二者不可能存在相交的情况。假设A中有环，B中无环，而且A和B相交。那么不论交点在入环之前，还是在环上，B 都会到达A中的环，从而B中也会存在环，与假设矛盾。

  对于情况3，我们也可以采用两种不同的方式。
  (1) 找到 A 的入环点，将其断开，变成一个无环链表。这时候再去判断 B 是否同样变为无环链表。若是，则 A 和 B 相交，否则 A 和 B 不相交。
  (2) 同时找到 A 和 B 的入环点，判断是否相同，若相同，则 A 和 B 相交。如果不同，则从 B 的入环点开始对环进行遍历，若找到一个节点与 A 的入环点相同，那么二者相交，否则不相交。

  class Node{
    int val;
    Node next;
  }
  
  public boolean isIntersectant(Node head_a， Node head_b){
    if(head_a==null || head_b==null)  return false;
  
    // 判断 A 是否存在环
    boolean cyclic_a = isCyclic(head_a);
  
    // 判断 B 是否存在环
    Node slow = head_b, fast = head_b;
    Node slow_pre = null; // 用来记录slow之前的一个节点，在进行环路断开时使用
    boolean cyclic_b = false;
    while(slow != null && fast.next != null){
      fast = fast.next.next;
      pre_slow = slow;
      slow = slow.next;
      if(slow == fast)
        cyclic_b = true;
    } 
    if(cyclic_a^cyclic_b)  return false; //二者相异则返回false
    
    if(cyclic_b){ // 二者都有环
      // 找到b的入环点
      Node p_b = head_b;
      while(p_b!=null && slow!=null){
        if(p_b == slow)  break;
        p_b = p_b.next;
        slow_pre = slow;
        slow = slow.next;
      }
      slow_pre.next = null; // b 环路断开
      if(isCyclic(head_a))  return false; // b环路断开后，a仍然有环，则不相交
      else  return true;
    }else{ // 二者均无环
      Node p_a = head_a, p_b = head_b;
      while(p_a.next != null)  p_a = p_a.next; // a的尾节点
      while(p_b.next != null)  p_b = p_b.next; // b的尾节点
      if(p_a == p_b)  return true;
      else  return false;
    }
  }