【LeetCode】链表相关算法题

1、介绍

链表是一种基础而强大的线性数据结构，其核心思想是通过节点和指针构建数据序列。与数组不同，链表中的元素在内存中非连续存储，每个节点包含数据和指向下一节点的指针。

2、链表的基本类型

3、相关算法题

【1】移除链表元素

LeetCode第203题，题目如下：

给你一个链表的头节点 head 和一个整数 val ，请你删除链表中所有满足 Node.val == val 的节点，并返回 新的头节点 。

示例 1：

输入：head = [1,2,6,3,4,5,6], val = 6
输出：[1,2,3,4,5]

示例 2：

输入：head = [], val = 1
输出：[]

示例 3：

输入：head = [7,7,7,7], val = 7
输出：[]

提示：

列表中的节点数目在范围 [0, 104] 内
1 <= Node.val <= 50
0 <= val <= 50

代码示例：

type ListNode struct {
	Val  int
	Next *ListNode
}

func removeElements(head *ListNode, val int) *ListNode {
	//创建一个虚拟头节点
	dummy := &ListNode{Next: head}
	prev := dummy
	current := head

	for current != nil {
		if current.Val == val {
			//跳过当前节点
			prev.Next = current.Next
		} else {
			//移动prev指针
			prev = current
		}

		//移动current指针
		current = current.Next
	}

	return dummy.Next
}

【2】设计链表

LeetCode第707题，题目如下：

你可以选择使用单链表或者双链表，设计并实现自己的链表。
单链表中的节点应该具备两个属性：val 和 next 。val 是当前节点的值，next 是指向下一个节点的指针/引用。
如果是双向链表，则还需要属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点下标从 0 开始。
实现 MyLinkedList 类：
MyLinkedList() 初始化 MyLinkedList 对象。
int get(int index) 获取链表中下标为 index 的节点的值。如果下标无效，则返回 -1 。
void addAtHead(int val) 将一个值为 val 的节点插入到链表中第一个元素之前。在插入完成后，新节点会成为链表的第一个节点。
void addAtTail(int val) 将一个值为 val 的节点追加到链表中作为链表的最后一个元素。
void addAtIndex(int index, int val) 将一个值为 val 的节点插入到链表中下标为 index 的节点之前。如果 index 等于链表的长度，那么该节点会被追加到链表的末尾。如果 index 比长度更大，该节点将 不会插入 到链表中。
void deleteAtIndex(int index) 如果下标有效，则删除链表中下标为 index 的节点。

示例：

输入
[“MyLinkedList”, “addAtHead”, “addAtTail”, “addAtIndex”, “get”, “deleteAtIndex”, “get”]
[[], [1], [3], [1, 2], [1], [1], [1]]
输出
[null, null, null, null, 2, null, 3]

解释

MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();
myLinkedList.addAtHead(1);
myLinkedList.addAtTail(3);
myLinkedList.addAtIndex(1, 2); // 链表变为 1->2->3
myLinkedList.get(1); // 返回 2
myLinkedList.deleteAtIndex(1); // 现在，链表变为 1->3
myLinkedList.get(1); // 返回 3

提示：

0 <= index, val <= 1000
请不要使用内置的 LinkedList 库。
调用 get、addAtHead、addAtTail、addAtIndex 和 deleteAtIndex 的次数不超过 2000 。

代码示例：

type MyLinkedList struct {
	head *MyListNode
	size int //链表节点数量
}

type MyListNode struct {
	Val  int
	Next *MyListNode
}

func Constructor() MyLinkedList {
	return MyLinkedList{}
}

// Get 获取链表中下标为 index 的节点的值。如果下标无效，则返回 -1
func (l *MyLinkedList) Get(index int) int {
	if index < 0 || index >= l.size {
		return -1
	}

	current := l.head //头节点为当前节点

	for i := 0; i < index; i++ {
		current = current.Next
	}

	return current.Val
}

// AddAtHead 将一个值为 val 的节点插入到链表中第一个元素之前。在插入完成后，新节点会成为链表的第一个节点
func (l *MyLinkedList) AddAtHead(val int) {
	newHeadNode := &MyListNode{
		Val:  val,
		Next: l.head,
	}

	l.head = newHeadNode
	l.size++
}

// AddAtTail 将一个值为 val 的节点追加到链表中作为链表的最后一个元素
func (l *MyLinkedList) AddAtTail(val int) {
	newTailNode := &MyListNode{Val: val}

	if l.head == nil {
		l.head = newTailNode
	} else {
		current := l.head

		for current.Next != nil {
			current = current.Next
		}

		current.Next = newTailNode
	}

	l.size++
}

// AddAtIndex 将一个值为 val 的节点插入到链表中下标为 index 的节点之前。如果 index 等于链表的长度，那么该节点会被追加到链表的末尾。如果 index 比长度更大，该节点将 不会插入 到链表中
func (l *MyLinkedList) AddAtIndex(index int, val int) {
	if index < 0 || index > l.size {
		return
	}

	if index == 0 {
		l.AddAtHead(val)
		return
	}

	if index == l.size {
		l.AddAtTail(val)
		return
	}

	newNode := &MyListNode{Val: val}
	prev := l.head

	//找插入位置的前一个节点
	for i := 0; i < index-1; i++ {
		prev = prev.Next
	}

	newNode.Next = prev.Next //更新插入节点的下一个节点
	prev.Next = newNode      //更新前一个节点的下一个节点
	l.size++
}

// DeleteAtIndex 如果下标有效，则删除链表中下标为 index 的节点
func (l *MyLinkedList) DeleteAtIndex(index int) {
	if index < 0 || index >= l.size {
		return
	}

	if index == 0 {
		l.head = l.head.Next
	} else {
		prev := l.head
		for i := 0; i < index-1; i++ {
			prev = prev.Next
		}
		prev.Next = prev.Next.Next
	}

	l.size--
}

【3】反转链表

LeetCode第206题，题目如下：

给你单链表的头节点 head ，请你反转链表，并返回反转后的链表。

示例 1：

输入：head = [1,2,3,4,5]
输出：[5,4,3,2,1]

示例 2：

输入：head = [1,2]
输出：[2,1]

示例 3：

输入：head = []
输出：[]

提示：

链表中节点的数目范围是 [0, 5000]
-5000 <= Node.val <= 5000

代码示例：

func reverseList(head *ListNode) *ListNode {
	var prev *ListNode //定义nil的节点
	current := head

	for current != nil {
		next := current.Next //保存下一个节点
		current.Next = prev  //更改节点指向
		prev = current       //移动prev指针到当前节点
		current = next
	}

	return prev
}

【4】两两交换链表

LeetCode第24题，题目如下：

给你一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后链表的头节点。你必须在不修改节点内部的值的情况下完成本题（即，只能进行节点交换）。

示例 1：

输入：head = [1,2,3,4]
输出：[2,1,4,3]

示例 2：

输入：head = []
输出：[]

示例 3：

输入：head = [1]
输出：[1]

提示：

链表中节点的数目在范围 [0, 100] 内
0 <= Node.val <= 100

代码示例：

func swapPairs(head *ListNode) *ListNode {
	//创建虚拟头节点
	dummy := &ListNode{Next: head}
	prev := dummy

	for prev.Next != nil && prev.Next.Next != nil {
		//获取当前要交换的两个节点
		first := prev.Next
		second := prev.Next.Next

		//执行交换
		first.Next = second.Next
		second.Next = first
		prev.Next = second

		//移动prev指针到下一对的前一个节点
		prev = first
	}

	return dummy.Next
}

【5】删除链表的倒数第N个节点

LeetCode第19题，题目如下：

给你一个链表，删除链表的倒数第 n 个结点，并且返回链表的头结点。

示例 1：

输入：head = [1,2,3,4,5], n = 2
输出：[1,2,3,5]

示例 2：

输入：head = [1], n = 1
输出：[]

示例 3：

输入：head = [1,2], n = 1
输出：[1]

提示：

链表中结点的数目为 sz
1 <= sz <= 30
0 <= Node.val <= 100
1 <= n <= sz

代码示例：

func removeNthFromEnd(head *ListNode, n int) *ListNode {
	//创建虚拟头节点
	dummy := &ListNode{Next: head}
	slow, fast := dummy, dummy

	//快指针先走n+1步
	for i := 0; i <= n; i++ {
		fast = fast.Next
	}

	//快慢指针同时前进，直到快指针到达链表末尾
	for fast != nil {
		fast = fast.Next
		slow = slow.Next
	}

	//删除slow后面的节点
	slow.Next = slow.Next.Next

	return dummy.Next
}

【6】链表相交

LeetCode第02.07.题，题目如下：

给你两个单链表的头节点 headA 和 headB ，请你找出并返回两个单链表相交的起始节点。如果两个链表没有交点，返回 null 。
图示两个链表在节点 c1 开始相交：
题目数据 保证 整个链式结构中不存在环。
注意，函数返回结果后，链表必须 保持其原始结构 。

示例 1：

输入：intersectVal = 8, listA = [4,1,8,4,5], listB = [5,0,1,8,4,5], skipA = 2, skipB = 3
输出：Intersected at ‘8’
解释：相交节点的值为 8 （注意，如果两个链表相交则不能为 0）。
从各自的表头开始算起，链表 A 为 [4,1,8,4,5]，链表 B 为 [5,0,1,8,4,5]。
在 A 中，相交节点前有 2 个节点；在 B 中，相交节点前有 3 个节点。

示例 2：

输入：intersectVal = 2, listA = [0,9,1,2,4], listB = [3,2,4], skipA = 3, skipB = 1
输出：Intersected at ‘2’
解释：相交节点的值为 2 （注意，如果两个链表相交则不能为 0）。
从各自的表头开始算起，链表 A 为 [0,9,1,2,4]，链表 B 为 [3,2,4]。
在 A 中，相交节点前有 3 个节点；在 B 中，相交节点前有 1 个节点。

示例 3：

输入：intersectVal = 0, listA = [2,6,4], listB = [1,5], skipA = 3, skipB = 2
输出：null
解释：从各自的表头开始算起，链表 A 为 [2,6,4]，链表 B 为 [1,5]。
由于这两个链表不相交，所以 intersectVal 必须为 0，而 skipA 和 skipB 可以是任意值。
这两个链表不相交，因此返回 null 。

提示：

listA 中节点数目为 m
listB 中节点数目为 n
0 <= m, n <= 3 * 104
1 <= Node.val <= 105
0 <= skipA <= m
0 <= skipB <= n
如果 listA 和 listB 没有交点，intersectVal 为 0
如果 listA 和 listB 有交点，intersectVal == listA[skipA + 1] == listB[skipB + 1]

代码示例：

func getIntersectionNode(headA, headB *ListNode) *ListNode {
	//边界条件：任一链表为空则无交点
	if headA == nil || headB == nil {
		return nil
	}

	//初始化两个指针
	pA, pB := headA, headB

	//当两个指针不相遇时继续循环
	for pA != pB {
		//当A指针到达链表末尾，则转到链表B的头部
		if pA == nil {
			pA = headB
		} else {
			pA = pA.Next
		}

		//当B指针到达链表末尾，则转到链表A的头部
		if pB == nil {
			pB = headA
		} else {
			pB = pB.Next
		}
	}

	//返回相遇点，如果为nil表示无交点
	return pA
}

【7】环形链表 II

LeetCode第142题，题目如下：

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 1：

输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：返回索引为 1 的链表节点
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

示例 2：

输入：head = [1,2], pos = 0
输出：返回索引为 0 的链表节点
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

示例 3：

输入：head = [1], pos = -1
输出：返回 null
解释：链表中没有环。

提示：

链表中节点的数目范围在范围 [0, 104] 内
-105 <= Node.val <= 105
pos 的值为 -1 或者链表中的一个有效索引

代码示例：

func detectCycle(head *ListNode) *ListNode {
	//边界条件处理
	if head == nil || head.Next == nil {
		return nil
	}

	//初始化快慢指针
	slow, fast := head, head

	//第一阶段：检查是否有环
	for fast != nil && fast.Next != nil {
		slow = slow.Next
		fast = fast.Next.Next

		//如果相遇，说明有环
		if slow == fast {
			break
		}
	}

	//无环的情况
	if fast == nil || fast.Next == nil {
		return nil
	}

	//第二阶段：找到环的入口
	//将slow重新指向头节点，fast保持在相遇点
	//两者以相同的速度前进，再次相遇即为环入口
	slow = head
	for slow != fast {
		slow = slow.Next
		fast = fast.Next
	}

	return slow
}