23. 合并K个排序链表

合并 k 个排序链表,返回合并后的排序链表。请分析和描述算法的复杂度。

示例:

输入:
[
  1->4->5,
  1->3->4,
  2->6
]
输出: 1->1->2->3->4->4->5->6

方法一:顺序合并

首先我们考虑合并两个有序链表应该如何实现,直接比较两个链表当前节点的数值大小即可。

代码如下:

ListNode* mergeTwoLists(ListNode *a, ListNode *b) {
    if ((!a) || (!b)) return a ? a : b;
    ListNode head, *tail = &head, *aPtr = a, *bPtr = b;
    while (aPtr && bPtr) {
        if (aPtr->val < bPtr->val) {
            tail->next = aPtr; aPtr = aPtr->next;
        } else {
            tail->next = bPtr; bPtr = bPtr->next;
        }
        tail = tail->next;
    }
    tail->next = (aPtr ? aPtr : bPtr);
    return head.next;
}

所以,对于K个链表可以将其一个一个按顺序合并,代码如下:

    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        ListNode *ans = nullptr;
        for (size_t i = 0; i < lists.size(); ++i) {
            ans = mergeTwoLists(ans, lists[i]);
        }
        return ans;
    }

复杂度:
时间复杂度: 假设每个链表的最长长度是 n n n。在第一次合并后, a n s ans ans 的长度为 n n n;第二次合并后, a n s ans ans 的长度为 ,第 i i i 次合并后, a n s ans ans 的长度为 i × n i\times n i×n。第 i i i 次合并的时间代价是 O ( n + ( i − 1 ) × n ) = O ( i × n ) O(n + (i - 1) \times n) = O(i \times n) O(n+(i1)×n)=O(i×n),那么总的时间代价为 O ( ∑ i = 1 k ( i × n ) ) = O ( ( 1 + k ) ⋅ k 2 × n ) = O ( k 2 n ) O(\sum_{i = 1}^{k} (i \times n)) = O(\frac{(1 + k)\cdot k}{2} \times n) = O(k^2 n) O(i=1k(i×n))=O(2(1+k)k×n)=O(k2n)故渐进时间复杂度为 O ( k 2 n ) O(k^2 n) O(k2n)
空间复杂度: 没有用到与 k k k n n n 规模相关的辅助空间,故渐进空间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)

方法二:归并排序

而对于K个有序链表来说,我们可以采用分而治之的思想,将K个有序链表划分成两个链表合并的子集。如下图所示:
23. 合并K个排序链表_第1张图片
代码:

class Solution {
public:
    ListNode* mergeTwoLists(ListNode *a, ListNode *b) {
        if ((!a) || (!b)) return a ? a : b;
        ListNode head, *tail = &head, *aPtr = a, *bPtr = b;
        while (aPtr && bPtr) {
            if (aPtr->val < bPtr->val) {
                tail->next = aPtr; aPtr = aPtr->next;
            } else {
                tail->next = bPtr; bPtr = bPtr->next;
            }
            tail = tail->next;
        }
        tail->next = (aPtr ? aPtr : bPtr);
        return head.next;
    }
    
    ListNode* merge(vector <ListNode*> &lists, int l, int r) {
        if (l == r) return lists[l];
        if (l > r) return nullptr;
        int mid = (l + r) >> 1; //向下取整
        return mergeTwoLists(merge(lists, l, mid), merge(lists, mid + 1, r));
    }

    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        return merge(lists, 0, lists.size() - 1);
    }
};

复杂度

时间复杂度: 考虑递归「向上回升」的过程——第一轮合并 k 2 \frac{k}{2} 2k 每组链表,每一组的时间代价是 O ( 2 n ) O(2n) O(2n);第二轮合并 k 4 \frac{k}{4} 4k 组链表,每一组的时间代价是 O ( 4 n ) O(4n) O(4n)…所以总的时间代价是 O ( ∑ i = 1 ∞ k 2 i × 2 i n ) = O ( k n × log ⁡ k ) O(\sum_{i = 1}^{\infty} \frac{k}{2^i} \times 2^i n) = O(kn \times \log k) O(i=12ik×2in)=O(kn×logk),故渐进时间复杂度为 O ( k n × log ⁡ k ) O(kn \times \log k) O(kn×logk)
空间复杂度: 递归会使用到 O ( log ⁡ k ) O(\log k) O(logk) 空间代价的栈空间。

方法三:使用优先队列

在合并两个链表的时候,我们比较两个链表的当前元素,那么在合并K个链表时,我们可以比较K个链表的当前元素选出最小元素,方法类似。但是我们希望能用最短的时间获取K个元素中的最小元素。如果采用遍历则复杂度为 O ( k ) O(k) O(k),我们还可以采用优先队列,维护一个小顶堆的复杂度为 O ( l o g k ) O(logk) O(logk)。一共有 n × k n\times k n×k个元素,所以总的时间复杂度为 O ( k n × log ⁡ k ) O(kn \times \log k) O(kn×logk)空间复杂度为 O ( K ) O(K) O(K)

class Solution {
public:
    struct Status {
        int val;
        ListNode *ptr;
        bool operator < (const Status &rhs) const {
            return val > rhs.val;
        }
    };

    priority_queue <Status> q;

    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        for (auto node: lists) {
            if (node) q.push({node->val, node});
        }
        ListNode head, *tail = &head;
        while (!q.empty()) {
            auto f = q.top(); q.pop();
            tail->next = f.ptr; 
            tail = tail->next;
            if (f.ptr->next) q.push({f.ptr->next->val, f.ptr->next});
        }
        return head.next;
    }
};

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