LeetCode算法（Java）链表部分

链表理论基础

链表的类型

1. 单链表

• 什么是链表，链表是一种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，一个是数据域一个是指针域（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（空指针的意思）。

• 链表的入口节点称为链表的头结点也就是head。
  如图所示：
  

• 单链表中的指针域只能指向节点的下一个节点。

• 双链表：每一个节点有两个指针域，一个指向下一个节点，一个指向上一个节点。

• 双链表 既可以向前查询也可以向后查询。
  如图所示：
  

• 循环链表，顾名思义，就是链表首尾相连。

• 循环链表可以用来解决约瑟夫环问题。
  如图所示：
  

链表中常用的算法（Java）

• Java链表是一种线性数据结构，它由节点组成，每个节点都包含一个数据元素和指向下一个节点的指针。链表的优点是可以高效地插入和删除元素，但是访问元素的效率较低。
  以下是Java链表的常用算法：

public void traverseList(Node head) {
    Node curr = head;
    while (curr != null) {
        System.out.println(curr.data);
        curr = curr.next;
    }
}

2. 在链表的开头插入元素：创建一个新节点，将其指针指向链表的头节点，将链表的头指针指向新节点。

public Node insertAtBeginning(Node head, int data) {
   Node newNode = new Node(data);
   newNode.next = head;
   head = newNode;
   return head;
}

3. 在链表的末尾插入元素：遍历链表，找到最后一个节点，创建一个新节点，将最后一个节点的指针指向新节点。

public Node insertAtEnd(Node head, int data) {
   Node newNode = new Node(data);
   if (head == null) {
       head = newNode;
       return head;
   }
   Node curr = head;
   while (curr.next != null) {
       curr = curr.next;
   }
   curr.next = newNode;
   return head;
}

4. 在链表中间插入元素：遍历链表，找到要插入的位置的前一个节点，创建一个新节点，将新节点的指针指向要插入的位置的节点，将前一个节点的指针指向新节点。

public Node insertAtPosition(Node head, int data, int position) {
   Node newNode = new Node(data);
   int count = 1;
   Node curr = head;
   while (count < position - 1) {
       curr = curr.next;
       count++;
   }
   newNode.next = curr.next;
   curr.next = newNode;
   return head;
}

1.移除链表元素

• 题目描述
  

• Java实现如下

/**
* Definition for singly-linked list.
* public class ListNode {
*     int val;
*     ListNode next;
*     ListNode() {}
*     ListNode(int val) { this.val = val; }
*     ListNode(int val, ListNode next) { this.val = val; this.next = next; }
* }
*/
class Solution {
   //方法一添加虚拟头节点
   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;
}

   //方法二不添加虚拟头节点
   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;
}

   //方法三不添加虚拟头节点 和pre节点
   public ListNode removeElements(ListNode head, int val){
       while(head != null && head.val == val){
           head = head.next;
       }
       ListNode cur = head;
       while(cur != null){
           while(cur.next != null && cur.next.val == val){
               cur.next = cur.next.next;
           }
           cur = cur.next;
       }
       return head;
   }
}

2.设计链表

• 题目描述
  
• Java实现如下

class ListNode{//单链表
    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;
    //虚拟头节点
    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个节点就是头节点
    public int get(int index) {
        //如果index非法就返回-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个元素前天添加
    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{
    //记录链表中元素的个数
    int size;
    //记录链表中虚拟头节点和尾节点
    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，否则在加入头节点的操作中会出现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;
        //判断哪一边遍历时间更短
        if(index >= size / 2){
            //从尾部tail开始遍历
            cur = tail;
            for(int i = 0; i < size - index; i++){
                cur = cur.prev;
            }
        }else{
            //从头部head开始
            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;
        }
        //新建节点
        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;
        //找到前驱节点
        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);
 */

3.反转链表

• 题目描述
  
• Java实现如下

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * public class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode() {}
 *     ListNode(int val) { this.val = val; }
 *     ListNode(int val, ListNode next) { this.val = val; this.next = next; }
 * }
 */
class Solution {
    //方法一双指针法
    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;
    }

    //方法二双指针思路 递归
    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);
    }

    //方法三从后向前递归
    public 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);
        //反转头节点与第二节点的指向
        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;
    }
}

4.两两交换链表中的节点

• 题目描述
  
• Java实现如下

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * public class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode() {}
 *     ListNode(int val) { this.val = val; }
 *     ListNode(int val, ListNode next) { this.val = val; this.next = next; }
 * }
 */
class Solution {
    //递归版本
    public ListNode swapPairs(ListNode head) {
        if(head == null || head.next == null){
            return head;
        }
        //获取当前节点的下一个节点
        ListNode next = head.next;
        //进行递归
        ListNode newNode = swapPairs(next.next);
        //这里进行交换
        next.next = head;
        head.next = newNode;

        return next;
    }

    //方法二
    public ListNode swapPairs(ListNode head){
        ListNode dumyhead = new ListNode(-1);//设置一个虚拟头节点
        dumyhead.next = head;
        ListNode cur = dumyhead;
        ListNode temp; //临时节点，保存两个节点后面的节点
        ListNode firstnode;//临时节点，保存两个节点之中的第一个节点
        ListNode secondnode;//临时节点，保存两个节点之中的第二个节点
        while(cur.next != null && cur.next.next != null){
            temp = cur.next.next.next;
            firstnode = cur.next;
            secondnode = cur.next.next;
            cur.next = secondnode;//步骤一
            secondnode.next = firstnode;//步骤二
            firstnode.next = temp;//步骤三
            cur = firstnode;//cur移动，准备下一轮交换

        }
        return dumyhead.next;
    }
}

5.删除链表的倒数第N个节点

• 题目描述
  
  
• Java实现如下

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * public class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode() {}
 *     ListNode(int val) { this.val = val; }
 *     ListNode(int val, ListNode next) { this.val = val; this.next = next; }
 * }
 */
class Solution {
    public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {
        ListNode s = new ListNode(-1,head);
        ListNode p1 = s;
        ListNode p2 = s;
        for(int i = 0; i < n + 1; i++){
            p2 = p2.next;
        }
        while(p2 != null){
            p1 = p1.next;
            p2 = p2.next;
        }
        p1.next = p1.next.next;
        return s.next;
    }
}

6.链表相交

• 题目描述
  
  
• Java实现如下

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * public class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 *     ListNode(int x) {
 *         val = x;
 *         next = null;
 *     }
 * }
 */
public class Solution {
    public ListNode getIntersectionNode(ListNode headA, ListNode headB) {
        ListNode curA = headA;
        ListNode curB = headB;
        int lenA = 0, lenB = 0;
        while(curA != null){
            lenA++;
            curA = curA.next;
        }
        while(curB != null){
            lenB++;
            curB = curB.next;
        }
        curA = headA;
        curB = headB;
        //让curA为最长链表的头。lenA为其长度
        if(lenB > lenA){
            //1.swap(lenA, lenB)
            int tempLen = lenA;
            lenA = lenB;
            lenB = tempLen;
            //2.swap(curA, curB);
            ListNode tempNode = curA;
            curA = curB;
            curB = tempNode;
            }
            //求长度差
            int gap = lenA - lenB;
            //让curA和curB在同一起点上面（末尾位置对齐）
            while(gap-- > 0){
                curA = curA.next;
            }
            //遍历curA和curB，遇到相同则直接返回
            while(curA != null){
                if(curA == curB){
                    return curA;
                }
                curA = curA.next;
                curB = curB.next;
            }
            return null;
        }
}

7.环形链表Ⅱ

• 题目描述
  
  
• Java实现如下

/**
 * 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) {
        ListNode slow = head;
        ListNode fast = head;
        while(fast != null && fast.next != null){
            slow = slow.next;//满指针一次走一步
            fast = fast.next.next;//快执政一次走两步
            if(slow == fast){//有环
                ListNode index1 = fast;
                ListNode index2 = head;
                //两个指针，从头节点和相遇节点，各走一步，直到相遇，相遇点即为环的入口
                while(index1 != index2){
                    index1 = index1.next;
                    index2 = index2.next;
                }
                return index1;
            }
        }
        return null;
    }
}

8.总结

链表的理论基础

• 链表的种类主要为：单链表，双链表，循环链表
• 链表的存储方式：链表的节点在内存中是分散存储的，通过指针连在一起。
• 链表是如何进行增删改查的。
• 数组和链表在不同场景下的性能分析。
• 虚拟头结点：链表的一大问题就是操作当前节点必须要找前一个节点才能操作。这就造成了，头结点的尴尬，因为头结点没有前一个节点了。每次对应头结点的情况都要单独处理，所以使用虚拟头结点的技巧，就可以解决这个问题。

链表的常用操作

• 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（头插法）
• 在链表的最后面插入一个节点（尾插法）
• 在链表第index个节点前面插入一个节点
• 删除链表的第index个节点的数值

反转链表

• 因为反转链表的代码相对简单，有的同学可能直接背下来了，但一写还是容易出问题。
  反转链表是面试中高频题目，很考察面试者对链表操作的熟练程度。
  两种反转的方式，迭代法和递归法。

• 建议大家先学透迭代法，然后再看递归法，因为递归法比较绕，如果迭代还写不明白，递归基本也写不明白了。
  可以先通过迭代法，彻底弄清楚链表反转的过程！

删除倒数第N个节点

• 利用虚拟头结点 和 双指针法来移除链表倒数第N个节点。

链表相交

• 链表：链表相交使用双指针来找到两个链表的交点（引用完全相同，即：内存地址完全相同的交点）

环形链表

• 在链表：环找到了，那入口呢？，了解在链表如何找环，以及如何找环的入口位置。
• 这道题目可以说是链表的比较难的题目了。 但代码却十分简洁，主要在于一些数学证明。（fast指针每次走两步，slow指针每次走一步，两指针一定会在环内相遇，此时在从头结点出发一个指针，从相遇节点 也出发一个指针，这两个指针每次只走一个节点， 那么当这两个指针相遇的时候就是 环形入口的节点。）

文章一部分内容和图片引用代码随想录和力扣官方题解。