图解 LeetCode 算法汇总——链表

一般数据主要存储的形式主要有两种，一种是数组，一种是链表。数组是用来存储固定大小的同类型元素，存储在内存中是一片连续的空间。而链表就不同于数组。链表中的元素不是存储在内存中可以是不连续的空间。

链表主要有两个元素：结点和指针。结点是存储数据，指针是指向下一个结点数据。

链表的有几个特点：

• 不必按顺序存储数据，使用指针关联各个结点的数据。
• 插入数据时间复杂度O(1)。
• 单链表查询时间复杂度为O(n)。

JDK 链表源码

JDK 很多地方用到了链表，这里举例两个：HashMap 和 LinkedList。

HashMap

HashMap 基于数组 + 链表/红黑树的数据结构，其中链表用 Node 表示。主要存储数据和指向下一个结点的指针，源码如下所示。

//HashMap Node 部分源码
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
}

以上蓝色的 Node 结点表示一个链表结点。

LinkedList

LinkedList 本身就是一个双链表，有前置指针和后置指针。

//LinkedList 部分源码
private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

LeetCode 题解

LeetCode 有很多链表的题目，选取了几种比较典型的链表，面试的时候也经常会问到。

206.反转链表(简单)

题目描述

解法

链表结点不变，将指针方向反转。如果只是在一个链表的上操作，每次都需要遍历结点，比较繁琐。所以添加一个空链表 pre。pre 表示将指针向后，改成向前。比如 1 -> 2 变成 2 -> 1，先将 1 放在新的链表上，然后再将 2 放入新的链表，并指向 1。如下图所示：

总结一下解决步骤：

• 设置一个空链表pre
• 遍历链表，每次先将链表的next，赋值给一个新的链表。
• 链表的next指向pre。
• 当前链表赋值给pre。
• 继续遍历next链表

整理好解题思路后，根据解题写出以下代码：

class Solution {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
        ListNode cur = head;
        ListNode pre = null;
        while(cur != null) {
            ListNode next = cur.next;
            cur.next = pre;
            pre = cur;
            cur = next; 
        }
        return pre;

    }
}

19.删除链表的倒数第 N 个结点（中等）

题目描述

解法

类似链表删除结点，都是修改指针指向的结点，比如删除 4 结点，就需要将 4 节点之前的结点的指针，指向 4 的下一个结点。

解题的关键点就是找到结点的位置，并修改指针的指向，使用 node.next = node.next.next 即可修改指针的指向。找到结点的位置需要找到链表的长度，然后遍历链表，找到对应结点并修改指针。如果移除的是首结点，就找不到上一个结点，所以需要设置一个伪结点。总结一下解题思路：

• 创建伪结点，next 指向链表。首结点就是一个为伪结点。
• 遍历链表获取链表长度。
• 获取结点位置就是 L-n+1。
• 遍历链表，找到前一个结点的位置，也就是 L-n的结点的 next 指向 next.next.返回伪结点的 next 结点。

有了思路，写代码就快了：

class Solution {
    public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {
        ListNode cur = head;
		int length = 0;
		while(cur != null) {
			cur = cur.next;
			length++;
		}
		int index = 1;
		int sub = length - n + 1;
		ListNode dummy = new ListNode(1,head);
		cur = dummy;
		while(cur != null) {
			if(index == sub) {
				cur.next = cur.next.next;
				break;
			}
			cur = cur.next;
			index++;
		}
		return dummy.next;
    }
}

141.环形链表（简单）

题目描述

解法

环形链表表示链表的某个结点可以通过连续 next 指针再次被遍历到。所以需要做个查重的功能，如果存在重复的结点，就说明链表是一个环形链表。而查重使用 hash 表即可，汇总一下解题思路：

• 遍历结点，将结点添加到 hash 表中。
• 如果在添加数据时发现结点已存在，说明链表是环形链表。

public class Solution {
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        Set<ListNode> set = new HashSet<>();
		while (head != null) {
			if (!set.add(head)) {
				return true;
			}
			head = head.next;
		}
        return false;
    }
}

21.合并两个有序链表（简单）

题目描述

解法

单链表查找结点是需要一个一个往后指针找结点，合并链表的，如果在原来的基础上添加结点就需要不断的遍历结点，合并的链表使用一个新的链表存储。首先找到最小的数据，然后结点存储到新链表，同时断开结点的 next。如下图所示。

先找到最小的结点，然后新链表（蓝色部分）指向小的结点，然后断开 next 指针。之后的重复类似的步骤。

需要考虑到如果某个链表遍历结束了，但是其他链表还有值，就需要遍历非空链表的数据了，最终总结题解的步骤：

• 定义一个新的链表 node，存储合并的链表。
• 找到最小的结点，新的链表的next 指向新的结点，并将找到的链表的 next 断开。
• 重复遍历链表，找到最小的节点，直到某个链表为空。
• 一个链表为空，另外不为空，就将链表直接赋值个新链表。

代码如下：

class Solution {
    public ListNode mergeTwoLists(ListNode l1, ListNode l2) {
        ListNode node = new ListNode(0);
		ListNode last = node;
		while (l1 != null && l2 != null) {
			if (l1.val < l2.val) {
				last.next = l1;
				l1 = l1.next;
			} else {
				last.next = l2;
				l2 = l2.next;
			}
			last = last.next;
		}
		if (l1 != null) {
			last.next = l1;
		}
		if (l2 != null) {
			last.next = l2;
		}
		return node.next;
    }
}

总结

链表相对数组来说，在定义的时候不需要确定好内存大小，因为链表的通过指针可以存储非连续空间的数据。链表的查询需要通过指针一个个找到对应的结点，而不能像数组一样通过索引直接找到对应的数据。在 JDK 中也会使用双链表，双链表更占内存，因为多了一个指针，带来的好处是查询数据可以从前往后查，也可以从后往前查，用空间换时间。

主要介绍了几种常见的链表算法：

• 反转链表
  • 反转指针方向，结点数据不会改变。 拆分一下数据，1—>2,先将 1 取出来，将 1 作为新链表的头结点，然后再将 2 取出，作为头结点，并指向新的 1，此时就完成 2 -> 1 的过程，后续结点以此类推。
• 删除链表的倒数第 N 个结点
  • 关键点事要找到要删除的位置，倒数第 N 的节点，也就是链表长度 L-n+1,再修改指针，将自己上一个结点的指针指向自己节点的下一个结点。
• 环形链表
  • 环形链表表示存在相同的链表结点，遍历链表，存储在 hash 表，如果存在相同的结点就是环形链表。
• 合并两个有序链表
  • 先找到两个链表最小的结点，新的链表指向最小结点，对应的链表去掉指向的结点，以此类推，直到遍历完某个链表。此时如果别的链表不为空，直接指向该链表。