03、第二章 链表part01

本节内容

• 链表理论基础
• 203.移除链表元素
• 707.设计链表 
• 206.反转链表

链表理论基础※

建议：了解一下链接基础，以及链表和数组的区别 

文章链接：https://programmercarl.com/%E9%93%BE%E8%A1%A8%E7%90%86%E8%AE%BA%E5%9F%BA%E7%A1%80.html

203.移除链表元素※

建议： 本题最关键是要理解 虚拟头结点的使用技巧，这个对链表题目很重要。

题目链接： https://leetcode.cn/problems/remove-linked-list-elements/
文章讲解： https://programmercarl.com/0203.%E7%A7%BB%E9%99%A4%E9%93%BE%E8%A1%A8%E5%85%83%E7%B4%A0.html

https://www.yuanql.top/2023/06/04/02_leetcode/203.%E7%A7%BB%E9%99%A4%E9%93%BE%E8%A1%A8%E5%85%83%E7%B4%A0/

题目分析

方案一

设置一个虚拟的头节点，根据头节点去操作会更加的顺滑

class Solution {
    public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {

        ListNode temp = new ListNode();
        temp.next = head;
        head = temp;

        while (temp != null && temp.next != null) {
	        // 此处循环是用于防止链表中有同时多个数值时，将其判断去除
            while (temp.next != null && temp.next.val == val) {
                temp.next = temp.next.next;
            }
            temp = temp.next;
        }

        return head.next;
    }
}

结果

解答成功:
执行耗时:1 ms,击败了45.66% 的Java用户
内存消耗:44.2 MB,击败了28.54% 的Java用户

分析

时间复杂度：
O( n )

空间复杂度：
O( 1 )

方案二

其在方案一上进行了优化，其实就是修改了一下判断逻辑，不至于向方案一那么复杂，减少判断，可以有效减少实际消耗时间。

class Solution {
    public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {

        ListNode temp = new ListNode();
        temp.next = head;
        head = temp;

//        while (temp != null && temp.next != null) {
//            while (temp.next != null && temp.next.val == val) {
//                temp.next = temp.next.next;
//            }
//            temp = temp.next;
//        }

        while (temp.next != null) {
            if (temp.next.val == val) {
                temp.next = temp.next.next;
            } else {
                temp = temp.next;
            }
        }

        return head.next;
    }
}

结果

解答成功:
执行耗时:0 ms,击败了100.00% 的Java用户
内存消耗:43.9 MB,击败了61.02% 的Java用户

分析

时间复杂度：
O( n )

空间复杂度：
O( 1 )

代码随想录

https://programmercarl.com/0203.%E7%A7%BB%E9%99%A4%E9%93%BE%E8%A1%A8%E5%85%83%E7%B4%A0.html

文章中介绍了两种方式，一种是直接对链接进行操作，另一种是设置一个虚拟头节点，对虚拟头节点进行操作。

使用直接对链接进行操作的方式操作，需要的头节点进行特殊判断
而设置一个虚拟头节点，可以很好的解决此问题，因为链表中的头节点变为了虚拟节点，其不需要特殊判断，只需要进行统一的处理。

代码实现

/**
 * 添加虚节点方式
 * 时间复杂度 O(n)
 * 空间复杂度 O(1)
 * @param head
 * @param val
 * @return
 */
public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {
    if (head == null) {
        return head;
    }
    // 因为删除可能涉及到头节点，所以设置dummy节点，统一操作
    ListNode dummy = new ListNode(-1, head);
    ListNode pre = dummy;
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        if (cur.val == val) {
            pre.next = cur.next;
        } else {
            pre = cur;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return dummy.next;
}
/**
 * 不添加虚拟节点方式
 * 时间复杂度 O(n)
 * 空间复杂度 O(1)
 * @param head
 * @param val
 * @return
 */
public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {
    while (head != null && head.val == val) {
        head = head.next;
    }
    // 已经为null，提前退出
    if (head == null) {
        return head;
    }
    // 已确定当前head.val != val
    ListNode pre = head;
    ListNode cur = head.next;
    while (cur != null) {
        if (cur.val == val) {
            pre.next = cur.next;
        } else {
            pre = cur;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return head;
}
/**
 * 不添加虚拟节点and pre Node方式
 * 时间复杂度 O(n)
 * 空间复杂度 O(1)
 * @param head
 * @param val
 * @return
 */
public ListNode removeElements(ListNode head, int val) {
    while(head!=null && head.val==val){
        head = head.next;
    }
    ListNode curr = head;
    while(curr!=null){
        while(curr.next!=null && curr.next.val == val){
            curr.next = curr.next.next;
        }
        curr = curr.next;
    }
    return head;
}

707.设计链表※

建议： 这是一道考察 链表综合操作的题目，不算容易，可以练一练 使用虚拟头结点

题目链接： https://leetcode.cn/problems/design-linked-list/
文章讲解： https://programmercarl.com/0707.%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E9%93%BE%E8%A1%A8.html

https://www.yuanql.top/2023/06/04/02_leetcode/707.%20%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E9%93%BE%E8%A1%A8/

题目分析

方案一

本方案通过单链表的方式实现。
重点考察代码的编写能力

class MyLinkedList {

    private int val;

    private MyLinkedList next;

    public MyLinkedList() {

    }
    
    public int get(int index) {
        MyLinkedList temp = this;
        for (int i = 0; i <= index; i++) {
            if (temp.next == null ) {
                return -1;
            }
            temp = temp.next;
        }
        return temp.val;
    }
    
    public void addAtHead(int val) {
        MyLinkedList temp = this.next;
        this.next = new MyLinkedList();
        this.next.val = val;
        this.next.next = temp;
    }
    
    public void addAtTail(int val) {
        MyLinkedList temp = this;
        while (temp.next != null) {
            temp = temp.next;
        }
        temp.next = new MyLinkedList();
        temp.next.val = val;
    }
    
    public void addAtIndex(int index, int val) {
        MyLinkedList temp = this;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            if (temp.next == null ) {
                return;
            }
            temp = temp.next;
        }
        MyLinkedList temp1 = temp.next;
        temp.next = new MyLinkedList();
        temp.next.val = val;
        temp.next.next = temp1;
    }
    
    public void deleteAtIndex(int index) {
        MyLinkedList temp = this;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            if (temp.next == null ) {
                return;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if (temp.next != null){
            temp.next = temp.next.next;
        }
    }
}

结果

解答成功:
执行耗时:9 ms,击败了87.73% 的Java用户
内存消耗:43.5 MB,击败了12.62% 的Java用户

代码随想录

https://programmercarl.com/0707.%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E9%93%BE%E8%A1%A8.html

这道题目设计链表的五个接口：

• 获取链表第index个节点的数值
• 在链表的最前面插入一个节点
• 在链表的最后面插入一个节点
• 在链表第index个节点前面插入一个节点
• 删除链表的第index个节点

可以说这五个接口，已经覆盖了链表的常见操作，是练习链表操作非常好的一道题目

链表操作的两种方式：

1. 直接使用原来的链表来进行操作。
2. 设置一个虚拟头结点在进行操作。

代码实现

//单链表
class ListNode {
    int val;
    ListNode next;
    ListNode(){}
    ListNode(int val) {
        this.val=val;
    }
}
class MyLinkedList {
    //size存储链表元素的个数
    int size;
    //虚拟头结点
    ListNode head;

    //初始化链表
    public MyLinkedList() {
        size = 0;
        head = new ListNode(0);
    }

    //获取第index个节点的数值，注意index是从0开始的，第0个节点就是头结点
    public int get(int index) {
        //如果index非法，返回-1
        if (index < 0 || index >= size) {
            return -1;
        }
        ListNode currentNode = head;
        //包含一个虚拟头节点，所以查找第 index+1 个节点
        for (int i = 0; i <= index; i++) {
            currentNode = currentNode.next;
        }
        return currentNode.val;
    }

    //在链表最前面插入一个节点，等价于在第0个元素前添加
    public void addAtHead(int val) {
        addAtIndex(0, val);
    }

    //在链表的最后插入一个节点，等价于在(末尾+1)个元素前添加
    public void addAtTail(int val) {
        addAtIndex(size, val);
    }

    // 在第 index 个节点之前插入一个新节点，例如index为0，那么新插入的节点为链表的新头节点。
    // 如果 index 等于链表的长度，则说明是新插入的节点为链表的尾结点
    // 如果 index 大于链表的长度，则返回空
    public void addAtIndex(int index, int val) {
        if (index > size) {
            return;
        }
        if (index < 0) {
            index = 0;
        }
        size++;
        //找到要插入节点的前驱
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            pred = pred.next;
        }
        ListNode toAdd = new ListNode(val);
        toAdd.next = pred.next;
        pred.next = toAdd;
    }

    //删除第index个节点
    public void deleteAtIndex(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            return;
        }
        size--;
        if (index == 0) {
            head = head.next;
	    return;
        }
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index ; i++) {
            pred = pred.next;
        }
        pred.next = pred.next.next;
    }
}

//双链表
class ListNode{
    int val;
    ListNode next,prev;
    ListNode() {};
    ListNode(int val){
        this.val = val;
    }
}


class MyLinkedList {  

    //记录链表中元素的数量
    int size;
    //记录链表的虚拟头结点和尾结点
    ListNode head,tail;
    
    public MyLinkedList() {
        //初始化操作
        this.size = 0;
        this.head = new ListNode(0);
        this.tail = new ListNode(0);
        //这一步非常关键，否则在加入头结点的操作中会出现null.next的错误！！！
        head.next=tail;
        tail.prev=head;
    }
    
    public int get(int index) {
        //判断index是否有效
        if(index<0 || index>=size){
            return -1;
        }
        ListNode cur = this.head;
        //判断是哪一边遍历时间更短
        if(index >= size / 2){
            //tail开始
            cur = tail;
            for(int i=0; i< size-index; i++){
                cur = cur.prev;
            }
        }else{
            for(int i=0; i<= index; i++){
                cur = cur.next; 
            }
        }
        return cur.val;
    }
    
    public void addAtHead(int val) {
        //等价于在第0个元素前添加
        addAtIndex(0,val);
    }
    
    public void addAtTail(int val) {
        //等价于在最后一个元素(null)前添加
        addAtIndex(size,val);
    }
    
    public void addAtIndex(int index, int val) {
        //index大于链表长度
        if(index>size){
            return;
        }
        //index小于0
        if(index<0){
            index = 0;
        }
        size++;
        //找到前驱
        ListNode pre = this.head;
        for(int i=0; i<index; i++){
            pre = pre.next;
        }
        //新建结点
        ListNode newNode = new ListNode(val);
        newNode.next = pre.next;
        pre.next.prev = newNode;
        newNode.prev = pre;
        pre.next = newNode;
        
    }
    
    public void deleteAtIndex(int index) {
        //判断索引是否有效
        if(index<0 || index>=size){
            return;
        }
        //删除操作
        size--;
        ListNode pre = this.head;
        for(int i=0; i<index; i++){
            pre = pre.next;
        }
        pre.next.next.prev = pre;
        pre.next = pre.next.next;
    }
}

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

206.反转链表※

题目链接： https://leetcode.cn/problems/reverse-linked-list/
文章讲解： https://programmercarl.com/0206.%E7%BF%BB%E8%BD%AC%E9%93%BE%E8%A1%A8.html

https://www.yuanql.top/2023/06/05/02_leetcode/206.%20%E5%8F%8D%E8%BD%AC%E9%93%BE%E8%A1%A8/

题目分析

需要三个变量，两个用于遍历，一个用于存储中间值

temp：用于存储中间的数值
left：用于指向需要将next指针改变的节点
right：用于记录原链表的下一个节点，主要目的是 left 的next指向改变的时候其就无法找到原链表的下一个节点了。

方案一

class Solution {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {

        if (head == null) {
            return head;
        }
        ListNode temp = null, left = head, right = head.next;
        while (right != null) {
            left.next = temp;
            temp = left;
            left = right;
            right = right.next;
        }
        left.next = temp;
        return left;
    }
}

结果

解答成功:
执行耗时:0 ms,击败了100.00% 的Java用户
内存消耗:40.3 MB,击败了51.04% 的Java用户

分析

时间复杂度：
O( n )

空间复杂度：
O( 1 )

代码随想录

https://programmercarl.com/0206.%E7%BF%BB%E8%BD%AC%E9%93%BE%E8%A1%A8.html

双指针

拿有示例中的链表来举例，如动画所示：（纠正：动画应该是先移动pre，在移动cur）

首先定义一个cur指针，指向头结点，再定义一个pre指针，初始化为null。

然后就要开始反转了，首先要把 cur->next 节点用tmp指针保存一下，也就是保存一下这个节点。

为什么要保存一下这个节点呢，因为接下来要改变 cur->next 的指向了，将cur->next 指向pre ，此时已经反转了第一个节点了。

接下来，就是循环走如下代码逻辑了，继续移动pre和cur指针。

最后，cur 指针已经指向了null，循环结束，链表也反转完毕了。 此时我们return pre指针就可以了，pre指针就指向了新的头结点。

代码实现

// 双指针
class Solution {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
        ListNode prev = null;
        ListNode cur = head;
        ListNode temp = null;
        while (cur != null) {
            temp = cur.next;// 保存下一个节点
            cur.next = prev;
            prev = cur;
            cur = temp;
        }
        return prev;
    }
}

递归

递归遍历三步走：
1、确认递归函数的参数和返回值
2、确定终止条件
3、确认单层递归的逻辑

全面理解递归

递归法相对抽象一些，但是其实和双指针法是一样的逻辑，同样是当cur为空的时候循环结束，不断将cur指向pre的过程。

关键是初始化的地方，可能有的同学会不理解， 可以看到双指针法中初始化 cur = head，pre = NULL，在递归法中可以从如下代码看出初始化的逻辑也是一样的，只不过写法变了。

具体可以看代码（已经详细注释），双指针法写出来之后，理解如下递归写法就不难了，代码逻辑都是一样的。

代码实现

// 递归 
class Solution {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
        return reverse(null, head);
    }

    private ListNode reverse(ListNode prev, ListNode cur) {
        if (cur == null) {
            return prev;
        }
        ListNode temp = null;
        temp = cur.next;// 先保存下一个节点
        cur.next = prev;// 反转
        // 更新prev、cur位置
        // prev = cur;
        // cur = temp;
        return reverse(cur, temp);
    }
}

// 从后向前递归
class Solution {
    ListNode reverseList(ListNode head) {
        // 边缘条件判断
        if(head == null) return null;
        if (head.next == null) return head;
        
        // 递归调用，翻转第二个节点开始往后的链表
        ListNode last = reverseList(head.next);
        // 翻转头节点与第二个节点的指向
        head.next.next = head;
        // 此时的 head 节点为尾节点，next 需要指向 NULL
        head.next = null;
        return last;
    } 
}