LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II

1.环形链表

给你一个链表的头节点 head ,判断链表中是否有环。
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)。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。
如果链表中存在环 ,则返回 true 。 否则,返回 false 。
示例一:LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第1张图片
示例二:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第2张图片
示例三:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第3张图片

1.哈希表求解

分析题目,这里可以采用哈希表求解,将ListNode作为HashSet集合中的元素存储起来,对链表进行一次遍历,如果当前链表节点不在集合中,则将当前的链表节点存入HashSet集合中,若遍历的链表节点在哈希表中,即表示当前链表存在环,返回true即可实现,具体代码如下:

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode(int x) {
 *         val = x;
 *         next = null;
 *     }
 * }
 */
public class Solution {
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        Set<ListNode> set=new HashSet<ListNode>();
        while(head!=null){
            if(set.contains(head)){
                return true;
            }else{
                set.add(head);
                head=head.next;
            }
        }
        return false;
    }
}

2.时间复杂度分析

这里由于只有对链表的一次遍历,因此时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n),而空间由于用到了哈希表,因此空间复杂度也为 O ( n ) O(n) O(n),因为我们需要把遍历不在集合中节点元素添加到集合中!具体代码在LeetCode中的执行情况如下所示。可见执行效率不高,因此,我们就要寻找更加高效的方法!

LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第4张图片

3.快慢指针

由于前一种方法使用了哈希表,占用了空间复杂度,且算法执行效率不高,接下来我们用快慢指针来求解问题。
可以分别定义一个快指针fast,一次跳两个节点,一个慢指针slow,一次跳一个节点,使两个指针分别遍历链表,要知道,如果是环形链表,最后两个指针一定会相遇,即如果最后fast==slow,则表示该链表为环形链表,具体代码如下所示:

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode(int x) {
 *         val = x;
 *         next = null;
 *     }
 * }
 */
public class Solution {
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        if(head==null) return false;
        ListNode fast=head,slow=head;
        while(slow!=null && fast.next!=null && fast.next.next!=null){
            slow=slow.next;
            fast=fast.next.next;
            if(fast==slow){
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

4.GIF动图演示

如果对算法的实现思路还不能深刻理解,那么接下来看一下算法实现的动态过程吧,具体如下所示:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第5张图片

5.时间复杂度分析

按照快慢指针的方法,算法的时间复杂度仍然是 O ( n ) O(n) O(n),因为只有一次对链表的遍历,现在因为只定义了两个临时变量,与链表的规模无关,所以空间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第6张图片

2.环形链表II

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。
示例一:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第7张图片
示例二:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第8张图片
示例三:
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第9张图片

1.快慢指针

这里的环形链表II是对环形链表的扩展,如果对环形链表理解了,那么这一题也十分简单。不过,这一题需要涉及到一定的数学证明。
我们使用两个指针, fast \textit{fast} fast slow \textit{slow} slow。它们起始都位于链表的头部。随后, slow \textit{slow} slow指针每次向后移动一个位置,而 fast \textit{fast} fast指针向后移动两个位置。如果链表中存在环,则 fast \textit{fast} fast 指针最终将再次与 slow \textit{slow} slow指针在环中相遇。
如下图所示,设链表中环外部分的长度为 a。 slow \textit{slow} slow指针进入环后,又走了 b 的距离与 fast \textit{fast} fast 相遇。此时, fast \textit{fast} fast指针已经走完了环的 n n n圈,因此它走过的总距离为 a + n ( b + c ) + b = a + ( n + 1 ) b + n c a+n(b+c)+b=a+(n+1)b+nc a+n(b+c)+b=a+(n+1)b+nc
根据题意,任意时刻, fast \textit{fast} fast指针走过的距离都为 slow \textit{slow} slow指针的 2倍。因此,我们有
a + ( n + 1 ) b + n c = 2 ( a + b ) ⟹ a = c + ( n − 1 ) ( b + c ) a+(n+1)b+nc=2(a+b)⟹a=c+(n−1)(b+c) a+(n+1)b+nc=2(a+b)a=c+(n1)(b+c)
有了 a = c + ( n − 1 ) ( b + c ) a=c+(n-1)(b+c) a=c+(n1)(b+c)的等量关系,我们会发现:从相遇点到入环点的距离加上 n − 1 n-1 n1圈的环长,恰好等于从链表头部到入环点的距离。
因此,当发现 slow \textit{slow} slow fast \textit{fast} fast相遇时,我们再额外使用一个指针 result \textit{result} result。起始,它指向链表头部;随后,它和 slow \textit{slow} slow每次向后移动一个位置。最终,它们会在入环点相遇。
LeetCode刷题:环形链表 与 环形链表II_第10张图片
按照上面的分析,现在我们只需要在环形链表的解题代码上添加一定的代码即可,即当fast==slow,即二者相遇判断环链存在时,重新定义一个从头结点开始的每次移动一个节点的指针,相遇后的slow节点也从相遇位置开始移动,由上述的数学证明,二者则一定会在环链开始的地方相遇!

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode(int x) {
 *         val = x;
 *         next = null;
 *     }
 * }
 */
public class Solution {
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
        if(head==null) return null;
        ListNode fast=head,slow=head;
        while(slow!=null && fast.next!=null && fast.next.next!=null){
            slow=slow.next;
            fast=fast.next.next;
            if(fast==slow){
                ListNode result=head;
                while(result!=slow){
                    result=result.next;
                    slow=slow.next;
                }
                return result;
            }
        }
        return null;
    }
}

2.时间复杂度分析

由于本次算法的实现包括判断是否为环链以及找到环链的初始位置,初始判断是否为环链时, s l o w slow slow慢指针的遍历节点数小于总结点数 N N N,而接下来在环链的初始位置时, r e s u l t result result指针也小于总结点数 N N N,因此总的时间复杂度为 O ( N ) O(N) O(N)
因为本次算法中只有简单变量,因此空间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)。具体算法在LeetCode中的执行情况如下所示:
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