力扣练习4.25_力扣 训练

92. 反转链表 II

要求在指定的区间内反转。
解题思路：
将整个链表拆成三部分，第一部分是头节点到left的前一个节点，第二部分是left到right的待反转区间，第三部分是right的下一个节点为头结点到尾部。
首先根据反转链表的方法遍历待反转区间的链表，不断修改每个节点的指向。
然后将反转的链表的首尾和第一、三个部分相连接。

步骤：
1.初始化哑结点，将其指向头结点，设置前驱节点，初始化为pre，指向哑结点
2.遍历链表，直到遍历到left的前一个节点，保存为pre
3.设置反转区间的遍历反转变量：前驱节点：start=pre.next；指针节点：cur=start.next
4.在指定区间内反转：根据反转链表的方法
5.此时的start移动到了待反转链表的尾部，反转完成后就是头节点位置；cur移动到了第三部分的头结点；反转完成后的尾部就是待反转链表的头节点，也就是pre.next，这个指针是没有变的。
6.先链接反转链表和第三个区间：将反转完成后的尾部的指针指向第三部分的头结点——pre.next.next = cur
7.链接第一个区间和反转链表：left的前一个节点（第一个区间的尾部）指向反转链表的头结点——pre.next = start
8.返回头结点，是哑结点指向的节点

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseBetween(self, head: Optional[ListNode], left: int, right: int) -> Optional[ListNode]:

        # 创建哑节点
        dummy_node = ListNode(-1)
        dummy_node.next =head
        # 设置前驱节点
        pre = dummy_node

        # 遍历到左界的前一个节点
        for _ in range(left-1):
            pre = pre.next
        
        # 初始化遍历反转的前驱和指针节点
        start = pre.next
        cur = start.next

        # 在指定区间内反转链表
        for _ in range(right-left):
            temp = cur.next # 临时变量存储指针节点的后继节点
            cur.next = start # 修改指针节点的指向，指向前驱节点
            start = cur # 将前驱节点修改为指针节点
            cur = temp # 将指针节点移动到其后继节点
        
        # 拼接三个区间
        # 这个时候，pre仍指向反转区间的第一个节点，该节点，也就是pre.next已成为为反转区间的尾部
        # 尾部应该链接cur，因为不断反转后cur指针的位置是在第三个区间的头节点
        pre.next.next = cur # 完成反转区间和第三个区间的链接
        # 第二个和第三个区间链接了，现在链接第一个和第二个
        # 此时的start移动到了反转后链表的头节点，更新第一个区间的尾部节点的指针
        pre.next = start

        return dummy_node.next

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234. 回文链表

解题思路一

将链表的值复制到数组，数组和其逆序比较，相同即为回文。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def isPalindrome(self, head: Optional[ListNode]) -> bool:
        # 遍历，形成list，反转list，看两者是否相同
        list_1 = [] # 正序
        cur = head
        while cur:
            list_1.append(cur.val)
            cur = cur.next
        
        if list_1 == list_1[::-1]:
            return True
        else:
            return False

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解题思路二

链表的方式。找到链表的中点；将链表的中点及之后的子链表反转；逐个比较同位置的节点值。
步骤：
1.设置快慢指针，都从头节点开始，快指针一次移动两个单位，慢指针一个单位，当快指针移动到链表末尾时，慢指针位置就是中点。（奇数个节点时是中点，偶数个是中间俩节点的右节点）
2.从中点开始反转，是包括中点的。得到反转后的头节点。
3.以反转后的子链表为基准，和原始链表从头节点开始比较值，全部相同即为回文。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def isPalindrome(self, head: Optional[ListNode]) -> bool:
        # 找中点
        slow, fast = head,head
        # 遍历，慢指针移动一步，快指针移动两步，循环退出后slow就在中点
        # 中点被包含在后半部分
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
        
        # 反转链表函数，默认操作，返回反转后的头结点pre，cur是下一个区间的头节点
        def reverse(head):
            # 前驱节点
            pre = None
            cur = head
            while cur:
                temp = cur.next
                cur.next = pre
                pre = cur
                cur = temp
            return pre # 返回反转部分的头节点
        # 反转中点及之后的链表
        reversed_list = reverse(slow)
        
        # 比较原始的链表和反转后的子链表
        first_list = head
        flag = True
        # 以反转后的子链表为基线
        while reversed_list:
            # 比较同一位置的值
            if reversed_list.val != first_list.val:
                flag = False
                break
            # 同时往后移动
            reversed_list = reversed_list.next
            first_list = first_list.next
        # 返回结果
        return flag

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21. 合并两个有序链表

解题思路：逐步比较两个链表的节点，将较小的节点依次添加进新链表。
步骤：
1.新建哑结点，指针节点指向它。
2.设置循环，直到某一个链表被遍历完。
3.循环体内判断两个链表此时的头节点的大小，将小的节点加到指针节点后面（加在新链表后面）

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def mergeTwoLists(self, list1: Optional[ListNode], list2: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        # 哑结点
        dummy_node = ListNode(-1)
        # 指针节点
        cur = dummy_node
        # 遍历两个链表，当某一个被遍历完成后退出
        while list1 and list2:
            # 根据大小排序
            if list1.val > list2.val:
                # 将新链表的头节点指向较小的节点
                cur.next = list2
                # 移动较小的节点的头节点
                list2 = list2.next
            else:
                # 将新链表的头节点指向较小的节点
                cur.next = list1
                # 移动较小的节点的头节点
                list1 = list1.next
            # 移动指针节点
            cur = cur.next
        # 退出后检查某一个链表还没遍历完
        if list1: # list1没有遍历完，直接将新链表的尾节点指向剩余的list1
            cur.next = list1
        if list2: # 同理
            cur.next = list2
        # 返回新建链表的头节点
        return dummy_node.next


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148. 排序链表

解题思路：

将链表复制为数组，sort后转为链表。（错误）

从链表的角度考虑，最适合排序的算法就是归并排序。分割+合并。
链表的分割也是找中点，前面的题有过，与前面不同的是，这道题的中点是要包含在前面部分的，所以初始化fast不同；
链表的合并：上一题直接拿过来；
最后弄个主函数将其组合起来，递归进行，每次都找中点，分割出左右子链表，排序，合并。

步骤

1.将以上思路包装为不同的函数
2.找中点函数：fast初始化为fast.next
3.合并有序链表函数
4.主函数：找到中点，趁还没断链，先用mid.next作为右子链表的头节点排序右子链表；断链后对左子链表排序，都是递归进行；最后返回对排序后的链表的归并结果。终止条件是只有一个节点。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def sortList(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:

        # 找到中点的函数
        def get_mid(head):
            if not head: return head
            # fast初始化为head.next，使得在偶数情况下循环完成后slow处于中间两个节点靠左
            slow, fast = head, head.next
            while fast and fast.next:
                slow = slow.next
                fast = fast.next.next
            return slow
        
        # 有序合并链表的函数（升序）
        def merge(l1,l2):
            dummy_node = ListNode(-1)
            cur = dummy_node
            # 当两个链表有一个遍历完成，就退出
            while l1 and l2:
                if l1.val > l2.val:
                    cur.next = l2
                    l2 = l2.next
                else:
                    cur.next = l1
                    l1 = l1.next
                cur = cur.next
            
            # 还有剩余的
            if l1:
                cur.next = l1
            if l2:
                cur.next = l2

            return dummy_node.next

        # 主函数，归并排序
        def merge_sort(head):
            # 递归出口，没有节点或者只有一个节点，返回自身
            if not head or not head.next:
                return head
            # 获取中点
            mid = get_mid(head)
            # 对右子链表排序（递归）,mid是要算在左边的，防止只有两个节点的情况
            right_sorted = merge_sort(mid.next)
            # 中点断开，获得左子链表，排序
            mid.next = None
            left_sorted = merge_sort(head)
            # 最开始两个子链表分别只有一个元素，逐渐增加也是有序的，转换为合并有序链表
            return merge(left_sorted, right_sorted)
        
        # 启动排序
        return merge_sort(head)


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23. 合并 K 个升序链表

解题思路一

最直观的思路就是以第一个链表为基准，后面的不停的与其合并。
转换为了合并两个有序链表的问题。但是时间复杂度是 O(kN)，其中 k 是链表的数量，N 是链表中的节点总数。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        if not lists:
            return None
        if len(lists)==1:
            return lists[0]

        # 合并两个链表
        def merge(l1,l2):
            dummy_node = ListNode(-1)
            cur = dummy_node
            while l1 and l2:
                if l1.val > l2.val:
                    cur.next = l2
                    l2 = l2.next
                else:
                    cur.next = l1
                    l1 = l1.next
                cur = cur.next
            if l1:
                cur.next = l1
            if l2:
                cur.next = l2
            return dummy_node.next
        

        # 初始化，以第一个链表为基准
        sort_list = lists[0]
        for i in range(1, len(lists)):
            sort_list = merge(sort_list, lists[i])

        return sort_list


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解题思路二

分治法，找到中点，区分左右列表，排序。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        if not lists:
            return None
        if len(lists)==1:
            return lists[0]

        # 合并两个链表
        def merge(l1,l2):
            dummy_node = ListNode(-1)
            cur = dummy_node
            while l1 and l2:
                if l1.val > l2.val:
                    cur.next = l2
                    l2 = l2.next
                else:
                    cur.next = l1
                    l1 = l1.next
                cur = cur.next
            
            cur.next = l1 or l2
            return dummy_node.next
        
        # 分治法
        # 找中点，区分左右
        mid = len(lists)//2
        # 递归调用自身
        left_list = self.mergeKLists(lists[:mid])
        right_list = self.mergeKLists(lists[mid:])

        return merge(left_list, right_list)
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解题思路三

最小堆（优先队列）
定义最小堆，初始化为每个链表的头节点，不断将堆顶元素出堆，添加到结果链表中。

步骤：

1.导入heapq模块实现最小堆
2.初始化最小堆，添加每个链表的头节点，包括值、索引、节点本身
3.创建哑结点，作为结果链表的开始
4.当堆不为空，将堆顶元素出堆，添加到结果链表后面
5.如果堆顶元素后面还有值，继续将其入堆
6.返回哑结点.next即为结果链表头节点

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
import heapq
class Solution:
    def mergeKLists(self, lists: List[Optional[ListNode]]) -> Optional[ListNode]:
        # 处理为空情况
        if not lists: return None

        # 定义最小堆
        heaq = []
        # 初始化最小堆，将每个链表的首个节点加入堆
        for index, node in enumerate(lists):
            if node:
                # 将节点值、索引、节点本身入堆
                heapq.heappush(heaq, (node.val, index, node))
            
        # 创建新链表的开始，哑结点
        dummy = ListNode(-1)
        cur = dummy

        # 当最小堆不为空
        while heaq:
            # 从最小堆中弹出最小元素（升序）
            val, idx, node = heapq.heappop(heaq)
            # 创建新的节点，添加到结果链表的结尾
            cur.next = ListNode(val)
            cur = cur.next
            # 如果当前节点后续还有节点，也入堆
            if node.next:
                heapq.heappush(heaq, (node.next.val, idx, node.next))
        
        return dummy.next

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141. 环形链表

解题思路：快慢指针，快的一次走两步，慢的一步，如果会相等，说明有环。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def hasCycle(self, head: Optional[ListNode]) -> bool:
        # 快慢指针，如果相遇，就说明有环
        slow, fast = head,head
        # 循环遍历
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
            # 如果指针相等，说明有环
            if slow == fast:
                return True
        return False
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142. 环形链表 II

解题思路：
两阶段：第一阶段使用快慢指针，找到相遇点，第二阶段重置某个指针，两个指针速度一致，返回指针相遇时的节点。

步骤：
1.初始化快慢指针，找到相遇时的指针状态
2.重置慢指针到头节点，创建循环（当两个指针不相等），返回相遇时的指针所在的节点。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def detectCycle(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        # 处理特殊情况
        if not head or not head.next:
            return None
        # 先找到环，此时快慢指针相遇
        slow, fast = head,head
        # 找到环
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
            # 遇到环，终止循环
            if slow == fast:
                break
        # 重置慢指针，将两个指针的速度调相同
        # 直到快慢指针相遇
        slow = head
        while slow != fast:
            slow = slow.next
            fast = fast.next
            
        return slow
         
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160. 相交链表

解题思路：

最直观的想法是，如果两个链表长度一样，那他们的相交节点就能通过逐个遍历节点找到了。
面对不同长度的链表，怎么才能使其在相交节点之前的长度一样呢？
那就是先遍历完链表1，再遍历链表2.在两个指针分别逆向（a指针遍历链表1-2，b指针遍历链表2-1）遍历，就同步了这两个链表的遍历。使得他们可以在相交点相遇。
时间复杂度O(N+M)，其中 N 和 M 是两个链表的长度

步骤：

1.初始化链表a、b的指针
2.创建循环，直到a和b重合。a先遍历链表a，再遍历链表b；b同理
3.重合时的指针a或b即为所求。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def getIntersectionNode(self, headA: ListNode, headB: ListNode) -> Optional[ListNode]:
        # 设置两个链表的指针
        cur_a,cur_b = headA, headB
        # 如果两个指针不重合
        while cur_a != cur_b:
            # cur_a先遍历链表a
            if cur_a:
                cur_a = cur_a.next
            # 遍历完成后转向遍历b
            else:
                cur_a = headB
            # cur_b同理
            if cur_b:
                cur_b = cur_b.next
            else:
                cur_b = headA
        # 返回重合时的指针
        return cur_a

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19. 删除链表的倒数第 N 个结点

解题思路：

最开始想两次反转链表，但是只有两个节点的情况下老是过不了（因为我考虑的是至少三个节点），遂放弃。

正确的方法是 快慢指针。先让快指针跑个n+1步，然后让快慢指针一起跑，直到快指针到了末尾，这个时候慢指针就是倒数第n+1个节点。再将其指向改为下下个节点即可。

步骤

1.初始化哑结点，快慢指针指向哑结点
2.快指针移动n+1个
3.快慢指针同时移动到快指针达到末尾
4.将慢指针的指向指向下下个节点

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def removeNthFromEnd(self, head: Optional[ListNode], n: int) -> Optional[ListNode]:
        # 哑结点
        dummy = ListNode(0)
        dummy.next = head
        # 初始化快慢指针
        slow = fast = dummy
        # 快指针先移动n+1步
        for _ in range(n+1):
            fast = fast.next
        # 同时移动快慢指针，当快指针到到末尾，说明慢指针也到达了倒数第n+1个节点
        while fast:
            slow = slow.next
            fast = fast.next
        
        # 将倒数第n+1个节点指向倒数第n-1个节点，倒数第n个节点指向空
        # n_node = slow.next # 暂存第n个节点
        slow.next = slow.next.next
        # n_node.next = None # 将第n个节点指向空
        return dummy.next
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143. 重排链表

解题思路：

可以转换为回文链表的思路。先从中点拆分，再交叉合并。

根据寻找中点的不同，可以分为两种步骤：

步骤1

1.找中点的快慢指针初始化为head,head.next，偶数时处于靠前的中点
2.将中点后的链表作为右子链表，切断左右子链表的链接
3.反转右子链表
4.交叉合并，设置一个哑结点。因为左子链表在奇数时会多一个中点，所以在同时合并两个子链表的前面位数的节点后，还需要加上左边剩余的节点。此时每次循环都分别消耗一个左右子链表的节点 （跟步骤二的不同，认为好理解点）

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reorderList(self, head: Optional[ListNode]) -> None:
        """
        Do not return anything, modify head in-place instead.
        """

        slow,fast = head,head.next
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
        # 此时的slow在偶数个节点时实际是两个中点前一个节点，在奇数时是正确的中点
        mid = slow.next
        # 左右子链表分割
        slow.next = None
        # 反转右边
        pre = None
        cur = mid
        while cur:
            temp = cur.next
            cur.next = pre
            pre = cur
            cur = temp
        
        # 左右子链表交叉合并
        left_node = head
        right_node = pre
        # 哑结点
        dummy = ListNode(0)
        dummy.next=head
        cur = dummy
        # 在偶数个时，左右子链表长度相等；在奇数个时，中点是在左子链表最后的；将其交叉合并，最后剩余一个中点，加到尾部
        while left_node and right_node:
            cur.next = left_node
            left_node = left_node.next
            cur = cur.next

            cur.next = right_node
            right_node = right_node.next
            cur = cur.next
        
        if left_node:
            cur.next = left_node
            
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步骤二

1.找中点的快慢指针初始化为head,head.next，偶数时处于靠前的中点
2.将中点后的链表作为右子链表，切断左右子链表的链接
3.反转右子链表
4.交叉合并。直接使用左子链表的头结点作为上一个步骤的哑结点，而后面也都是消耗了左右分别一个节点，所以规避掉了多余一个中点的问题。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reorderList(self, head: Optional[ListNode]) -> None:
        """
        Do not return anything, modify head in-place instead.
        """
        # 特殊情况的处理
        if not head or not head.next:
            return head

        # 找中点
        slow,fast = head,head.next
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
        # 此时的slow在偶数个节点时实际是两个中点前一个节点，在奇数时是唯一的中点（正好停在中点）

        # 反转右子链表
        pre = None
        cur = slow.next # 指针指向 偶数时靠后的中点，奇数时指向中点后的节点
        slow.next = None # 断开左右子链表的链接，这下从头结点只能检测到中点了，确保不会访问到右子链表
        while cur:
            temp = cur.next
            cur.next = pre
            pre = cur
            cur = temp
        
        # 左右子链表交叉合并
        left_node = head # 左子链表的头节点
        right_node = pre # 右子链表的头节点
        # 在偶数个时，左右子链表长度相等；在奇数个时，中点是在左子链表最后的；将其交叉合并，最后剩余一个中点，加到尾部
        # 由于采用while left_node and right_node:，所以不要担心右边节点少一个的情况
        while left_node and right_node:
            # 暂存左右子链表头节点的下一个节点
            temp_left, temp_right = left_node.next, right_node.next
            # 以下两行实现交叉合并，同时始终以左子链表的节点为开始
            # 将左子链表的头节点指向右子链表的头节点
            left_node.next = right_node
            # 右子链表的头节点 指向 左子链表头节点的下一个节点
            right_node.next = temp_left
            # 移动左右子链表节点到下一个节点
            left_node, right_node = temp_left, temp_right
            
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