【chap4-链表】用Python3刷《代码随想录》

通过指针串联在一起的线性结构，每一个节点由两部分组成，一个是数据域data，另一个是指针域next（存放指向下一个节点的指针），最后一个节点的指针域指向null（空指针）

链接的入口点称为链表的头节点head

单链表

1、链表的类型

三种类型：单链表、双链表、循环链表 

双链表

循环链表

2、链表的存储方式

数组在内存中是连续分布的，但链表在内存中不是连续分布的，链表是通过指针域的指针来链接内存中各个节点的。即：链表的节点在内存中是分散存储的，通过指针连在一起

3、链表的定义

# Python定义链表的节点
class ListNode:
    def __init__(self, val, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

4、链表的操作

（1）删除节点：

此时节点D依然存留在内存中，只不过从链表中被移除了而已。Python有自己的内存回收机制，不用手动释放

（2 ）添加节点：

链表的添加和删除都是时间复杂度为 O(1) 的操作，不会影响其他节点。但是，删除或者添加某个节点的前提是找到操作节点的前一个节点，而查找前一个节点的时间复杂度是 O(n)

5、性能分析

在定义数组的时候，长度是固定的，如果想改动数组的长度，则需要重新定义一个新的数组； 

链表的长度可以是不固定的，并且可以动态增删，适合数据量不固定、频繁增删、较少查询的场景

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203. 移除链表元素 

203. 移除链表元素

删除元素就是让节点的 next 指针直接指向下一个节点的下一个节点，因为单链表的特殊性，所以需要找到操作节点的前一个节点

两种链表操作方式：

• 直接使用原来的链表执行删除操作：删除头节点和删除其他节点的操作是不一样的，因为链表的其他节点都是通过前一个节点来删除当前节点的，而头节点没有前一个节点，只要将头节点向后移动一位即可
• 设置一个虚拟头节点再执行删除操作：设置一个虚拟头节点dummy_head，这样原链表的所有节点都可以按照统一的方式删除了。新的头节点是dummy_head.next

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def removeElements(self, head: Optional[ListNode], val: int) -> Optional[ListNode]:
        # 设置一个虚拟头节点
        dummy_head = ListNode(next=head)
        # 设置指针位置
        cur = dummy_head
        while cur.next != None:
            if cur.next.val == val:
                cur.next = cur.next.next
            else:
                cur = cur.next
        return dummy_head.next

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707. 设计链表

707. 设计链表

这里以单链表为例。注意，在定义链表之前需要先定义链表节点的结构体

（1）获取下标为 index 的节点的值：注意 cur 初始化为 dummy_head.next，也就是真正的head

（2）头部插入节点：注意操作顺序，十分重要！！！还要记得 size 要 +1

（3）尾部插入节点：记得 size 要 +1

（4）第n个节点前插入节点：操作第n个点，第n个点一定是cur_next，这样才能用 cur 去控制第n个点是增加还是删除。注意操作顺序，十分重要！！！以及记得 size 要 +1

（5）删除下标为 index 的节点：删除下标为 index 的节点（cur.next），必须要知道它的前一个节点（cur），让它的前一个节点指向该节点的后一个节点，才能删除该节点。以及记得 size 要 -1

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next


class MyLinkedList:

    def __init__(self):
        self.dummy_head = ListNode(0)
        self.size = 0


    def get(self, index: int) -> int:
        if index<0 or index>self.size-1:
            return -1
        cur = self.dummy_head.next
        while index:
            cur = cur.next
            index-=1
        return cur.val


    def addAtHead(self, val: int) -> None:
        new_node = ListNode(val)
        new_node.next = self.dummy_head.next
        self.dummy_head.next = new_node
        self.size+=1


    def addAtTail(self, val: int) -> None:
        new_node = ListNode(val)
        cur = self.dummy_head
        while cur.next != None:
            cur = cur.next
        cur.next = new_node
        self.size+=1


    def addAtIndex(self, index: int, val: int) -> None:
        if index>self.size:
            return
        else:
            new_node = ListNode(val)
            cur = self.dummy_head
            while index:
                cur = cur.next
                index-=1
            new_node.next = cur.next
            cur.next = new_node
            self.size+=1


    def deleteAtIndex(self, index: int) -> None:
        if index<0 or index>self.size-1:
            return
        cur = self.dummy_head
        while index:
            cur = cur.next
            index-=1
        cur.next = cur.next.next
        self.size-=1


# Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
# obj = MyLinkedList()
# param_1 = obj.get(index)
# obj.addAtHead(val)
# obj.addAtTail(val)
# obj.addAtIndex(index,val)
# obj.deleteAtIndex(index)

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206. 反转链表

206. 反转链表

法1：双指针法

• cur 先指向 head，这是第一个指针
• 第二个指针，就是反转之后，cur指向它的后面了，定义为 pre（其实就是 cur 的前一位），初始化为空指针
• 遍历链表，直到 cur 指向空指针结束
• 遍历时，需要第三个指针 tmp，在没反转之前，保存 cur 的下一个指针，再反转
• 最后新链表的头节点就是 pre

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseList(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        cur = head
        pre = None 
        while cur != None:
            tmp = cur.next
            cur.next = pre  # 改变方向
            # 指针往后遍历
            pre = cur
            cur = tmp
        return pre

法2：递归法

同样是当 cur 为空的时候循环结束，不断将 cur 指向 pre

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseList(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:

        def revserse(cur, pre):
            if cur == None:
                return pre
            tmp = cur.next
            cur.next = pre
            return revserse(tmp,cur)
        
        return revserse(head, None)

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24. 两两交换链表中的节点

24. 两两交换链表中的节点

几个重点： 

（1）操作指针一定要指向要反转的两个节点的前一个结点，如要交换节点1和节点2，此时操作指针应指向dummy_head（节点1的前一个节点）

（2）遍历什么时候结束？    while cur.next != None and cur.next.next != None:

• 链表节点个数为偶数时，cur.next = null
• 链表节点个数为奇数时，cur.next.next = null
• 链表节点个数为0，即空链表时，cur.next = null（此时cur指向虚拟头节点）

（3）交换相邻两个元素时，要注意操作的先后顺序

• 初始时，cur指向虚拟头节点

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def swapPairs(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        dummy_head = ListNode(next=head)   # 创建虚拟头结点
        cur = dummy_head   # 当前操作指针指向虚拟头结点

        while cur.next != None and cur.next.next != None:
            tmp = cur.next   # 保存节点1
            tmp1 = cur.next.next.next   # 保存节点3
            cur.next = cur.next.next   # 虚拟头结点指向节点2
            cur.next.next = tmp   # 节点2指向节点1
            tmp.next = tmp1   # 节点1指向节点3
            cur = cur.next.next   # 将当前操作指针往后移动2位

        return dummy_head.next   # 返回交换后链表的头节点

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19. 删除链表的倒数第N个结点 

19. 删除链表的倒数第 N 个结点

要删某个节点，操作指针要指向该节点的前一个节点

如何找到倒数第N个节点？

• 虚拟头节点：好处是不需要对操作节点是不是头节点进行特殊的判断，而可以采用统一的方式进行删除   dummy_head = ListNode(next=head)
• 定义快慢指针，让快指针先移动N步，然后快慢指针再同时移动，直到快指针指向了空节点，此时慢指针就指向了要删的倒数第N个节点
• 但问题是，要删倒数第N个节点，操作指针要指向该节点的前一个节点，即慢指针应指向倒数第N个节点的前一个节点
• 故最终：定义快慢指针，让快指针先移动N+1步，然后快慢指针再同时移动，直到快指针指向了空节点，此时慢指针就指向了要删的倒数第N个节点的前一个

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def removeNthFromEnd(self, head: Optional[ListNode], n: int) -> Optional[ListNode]:
        # 定义虚拟头节点
        dummy_head = ListNode(next=head)
        # 定义快慢指针，初始值都为虚拟头节点
        fast = slow = dummy_head

        # 让快指针先走n+1步
        for i in range(n+1):
            fast = fast.next
        # 然后快慢指针再同时走，直到快指针为空
        while fast != None:
            fast = fast.next
            slow = slow.next
        # 此时慢指针指向倒数第n个节点的前一个
        slow.next = slow.next.next
        return dummy_head.next

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160. 相交链表

160. 相交链表

注：交点指引用完全相同，即内存地址完全相同的交点 

若一个指针到达链表的结尾，就切换到另一个链表的头节点继续移动 

LeetCode刷题｜python版本｜160题｜相交链表_哔哩哔哩_bilibili

分析：设第一个公共节点为node，链表A的节点数量为a，链表B的节点数量为b，两链表公共尾部的节点数量为c，则有 

• 头节点 headA 到 node 前，共有 a - c 个节点
• 头节点 headB 到 node 前，共有 b - c 个节点

考虑构建两个节点指针 curA、curB，分别指向两链表头节点 headA、headB，做如下操作：

• 指针 curA 先遍历完链表A，再开始遍历链表B，当走到 node 时，共走步数为：a+(b-c)
• 指针 curB 先遍历完链表B，再开始遍历链表A，当走到 node 时，共走步数为：b+(a-c)

可以发现它们走的步数相同，所以此时指针 curA 和 curB 重合，且有两种情况：

• 若两链表有公共尾部（即c>0）：指针 curA 和 curB 同时指向第一个公共节点node
• 若两链表无公共尾部（即c=0）：指针 curA 和 curB 同时指向null

故返回 curA 和 curB 任一指针即可

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def getIntersectionNode(self, headA: ListNode, headB: ListNode) -> Optional[ListNode]:
        # 定义两指针，分别指向两链表的头节点
        curA = headA
        curB = headB

        # 两指针不相等时就同时向后移动
        while curA != curB:
            curA = curA.next if curA else headB   # 若curA走到空，跳到B
            curB = curB.next if curB else headA
        # 当两指针相等时返回任意一个指针即可
        return curA

算法复杂度：

• 由于两指针最多遍历两个链表，故时间复杂度为O(m+n)，其中m和n为两链表的长度
• 由于不需要开辟额外空间，故空间复杂度为O(1)

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142. 环形链表II 

142. 环形链表 II

这题有两小问：

• 判断链表是否有环：快慢指针都从头节点出发，快指针每次走2步，慢指针每次走1步，若能相遇则有环
• 寻找环的入口：在相遇节点处定义一个指针index1，在头节点处定一个指针index2，让index1和index2同时移动，每次移动一个节点，那么它们相遇的地方就是环的入口节点

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def detectCycle(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        # 定义快慢指针
        fast, slow = head, head
        while fast != None and fast.next != None:    # 因为fast每次走两步
            fast = fast.next.next
            slow = slow.next
            if fast == slow:   # 若快慢指针相遇
                index1 = fast    # 相遇点
                index2 = head    # 头节点
                while index1 != index2:    # 两者相遇时终止
                    index1 = index1.next
                    index2 = index2.next
                return index1
        return None