面试算法知识梳理(9) - 链表算法第一部分

面试算法代码知识梳理系列

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面试算法知识梳理(3) - 字符串算法第二部分
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面试算法知识梳理(5) - 数组第二部分
面试算法知识梳理(6) - 数组第三部分
面试算法知识梳理(7) - 数组第四部分
面试算法知识梳理(8) - 二分查找算法及其变型
面试算法知识梳理(9) - 链表算法第一部分
面试算法知识梳理(10) - 二叉查找树
面试算法知识梳理(11) - 二叉树算法第一部分
面试算法知识梳理(12) - 二叉树算法第二部分
面试算法知识梳理(13) - 二叉树算法第三部分

一、概要

本文介绍了有关链表的算法的Java代码实现，所有代码均可通过 在线编译器 直接运行，算法目录：

  • 新建链表
  • 反转链表（递归和非递归实现）
  • 获得链表倒数第k个结点
  • 获得链表的中间结点
  • 删除链表结点
  • 交换链表结点

在本章的讨论当中，所有的链表都包含一个头结点Node，头结点不存储数据，其next指针指向第一个普通链表结点，每个普通链表结点包含一个int类型的数据项。

二、代码实现

2.1 新建链表

问题描述

输入一个int类型的数组，通过该数组创建一个链表，并打印出该链表的所有元素。

解决思路

首先我们创建一个首结点header，之后通过遍历数组p的方式获得数组中元素并创建对应的结点node，并进行两步操作：

  • 将首结点的当前后继结点，作为新结点的新后继结点
  • 将新结点作为首结点的新后继结点

因此，最终构建出来的链表中结点顺序是和原数组相反的。

代码实现

class Untitled {
    
    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }
    
    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }
    
    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            while (node != null) {
                System.out.println("value=" + node.value);
                node = node.next;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3,4,5};
        Node header = createList(p, p.length);
        printList(header);
    }
}

运行结果

>> value=5
>> value=4
>> value=3
>> value=2
>> value=1

2.2 反转链表

问题描述

将输入的链表进行反转，例如在2.1中创建的链表为header->5->4->3->2->1，那么反转后的链表为header->1->2->3->4->5。

解决思路

这里我们介绍两种方式：非递归实现和递归实现。

实现代码

class Untitled {
    
    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }
    
    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }
    
    //(1)非递归实现
    static void reverseList(Node header) {
        if (header == null) {
            return;
        }
        //curNode表示待反转的结点。
        Node curNode = header.next;
        //nextNode表示待反转结点的下一个结点。
        Node nextNode = null;
        //curHeader表示已经完成反转的链表部分的第一个普通结点。
        Node curHeader = null;
        while (curNode != null) {
            nextNode = curNode.next;
            curNode.next = curHeader;
            curHeader = curNode;
            curNode = nextNode;
        }
        header.next = curHeader;
    }
    
    //(2)递归实现
    static void reverseListDi(Node header) {
        if (header == null) {
            return;
        }
        reverseListDiCore(header.next, header);
    }
    
    static Node reverseListDiCore(Node header, Node listHeader) {
        if (header.next == null) {
            listHeader.next = header;
            return header;
        }
        //下一个结点。
        Node nextNode = header.next;
        //对下一个结点进行反转。
        Node reverseNode = reverseListDiCore(nextNode, listHeader);
        //重新确立当前结点和下一个结点的关系。
        reverseNode.next = header;
        header.next = null;
        return header;
    }
        
    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            while (node != null) {
                System.out.println("value=" + node.value);
                node = node.next;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3,4,5};
        Node header = createList(p, p.length);
        reverseListDi(header);
        printList(header);
    }
}

运行结果

>> value=1
>> value=2
>> value=3
>> value=4
>> value=5

2.3 获得链表的倒数第 k 个结点

问题描述

输入一个链表，返回该链表的导入第k个结点（不包括首结点，最后一个结点为倒数第1个结点），如果链表的长度小于k，那么返回null。

解决思路

采用 快慢指针 的思想，让fast先走k步，然后slow指针开始和fast指针一起走，当fast位于最后一个结点时，那么slow所在的位置就是倒数第k个结点。

代码实现

class Untitled {
    
    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }
    
    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }
    
    static Node getLastKNode(Node header, int k) {
        if (k < 1) {
            return null;
        }
        Node fast = header;
        Node slow = header;
        int step = 0;
        while (fast != null && fast.next != null) {
            fast = fast.next;
            step++;
            if (step >= k) {
                slow = slow.next;
            }
        }
        return slow != header ? slow : null;
    }
        
    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while (node != null) {
                builder.append(String.valueOf(node.value));
                node = node.next;
                if (node != null) {
                    builder.append("->");
                }
            }
            System.out.println(builder.toString());
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3,4,5};
        Node header = createList(p, p.length);
        printList(header);
        Node kNode = getLastKNode(header, 4);
        System.out.println("KNode=" + (kNode != null ? kNode.value : ""));
    }
}

运行结果

>> 5->4->3->2->1
>> KNode=4

2.4 获得链表的中间结点

问题描述

输入一个链表，获得链表的中间结点：

  • 如果链表的长度为1，那么返回唯一的一个结点
  • 如果链表的长度为偶数，那么返回结点为其第len/2个结点，其中len为链表的长度
  • 如果链表的长度为奇数，那么len/2的值为x.5，取第x.5+0.5个结点作为返回结点

解决思路

和2.3类似，采用 快慢指针 的方式，fast每次走两步，而slow每次走一步，当fast遍历到尾结点时，slow所处的位置就是中间结点。

实现代码

class Untitled {
    
    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }
    
    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }
    
    static Node geMiddleNode(Node header) {
        if (header == null || header.next == null) {
            return null;
        }
        Node fast = header;
        Node slow = header;
        while (fast != null) {
            fast = fast.next;
            if (fast != null) {
                fast = fast.next;
            } else {
                break;
            }
            slow = slow.next;
        }
        return slow;
    }
        
    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while (node != null) {
                builder.append(String.valueOf(node.value));
                node = node.next;
                if (node != null) {
                    builder.append("->");
                }
            }
            System.out.println(builder.toString());
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3};
        Node header = createList(p, p.length);
        printList(header);
        Node kNode = geMiddleNode(header);
        System.out.println("KNode=" + (kNode != null ? kNode.value : ""));
    }
}

2.5 删除链表结点

问题描述

输入一个链表的头结点header，并给出位于该链表中的一个结点dNode，要求从链表中删除该结点。

解决思路

这个问题最容易想到的做法就是找到待删除结点的前驱结点和后继结点，让前驱结点的next指向后继结点来实现删除，但是对于 待删除结点不是尾结点 的情况，我们可以采用一个小技巧：取出待删除结点的后继结点，再删除该后继结点，这样就避免了寻找前驱结点的过程。

实现代码

class Untitled {

    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }

    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }

    static Node getLastKNode(Node header, int k) {
        if (k < 1) {
            return null;
        }
        Node fast = header;
        Node slow = header;
        int step = 0;
        while (fast != null && fast.next != null) {
            fast = fast.next;
            step++;
            if (step >= k) {
                slow = slow.next;
            }
        }
        return slow != header ? slow : null;
    }

    static void deleteNode(Node header, Node dNode) {
        if (header == null && dNode != null) {
            return;
        }
        if (dNode.next != null) { 
            //如果不是尾结点，那么取其后继结点的值替换待删除结点。
            Node rNode = dNode.next;
            dNode.value = rNode.value;
            dNode.next = rNode.next;
        } else {
            //如果是尾结点，那么只能采用遍历的方式。
            Node node = header;
            while (node.next != null && node.next.next != null) {
                node = node.next;
            }
            node.next = null;
        }
    }

    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while (node != null) {
                builder.append(String.valueOf(node.value));
                node = node.next;
                if (node != null) {
                    builder.append("->");
                }
            }
            System.out.println(builder.toString());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3};
        Node header = createList(p, p.length);
        printList(header);
        Node kNode = getLastKNode(header, 3);
        System.out.println("KNode=" + (kNode != null ? kNode.value : ""));
        deleteNode(header, kNode);
        printList(header);
    }
}

运行结果

>> 3->2->1
>> KNode=2
>> 3->1

2.6 交换链表结点

问题描述

给定一个单链表的头结点header，和两个待交换的链表结点nodeA和nodeB，交换这两个链表结点

解决思路

交互链表结点的关键，在于找到这两个结点的前驱和后继结点，修改它们和对应结点的引用关系，这里需要注意的是 交换结点相邻 的情况。

代码实现

class Untitled {
    
    static class Node {
        public Node next;
        public int value;
    }
    
    static Node createList(int p[], int len) {
        Node header = new Node();
        Node curNode = null;
        for (int i=0; i<len; i++) {
            curNode = new Node();
            curNode.value = p[i];
            //将旧的第一个普通链表结点作为新结点的next。
            curNode.next = header.next;
            //将新结点作为第一个普通链表结点。
            header.next = curNode;
        }
        return header;
    }
    
    static Node getLastKNode(Node header, int k) {
        if (k < 1) {
            return null;
        }
        Node fast = header;
        Node slow = header;
        int step = 0;
        while (fast != null && fast.next != null) {
            fast = fast.next;
            step++;
            if (step >= k) {
                slow = slow.next;
            }
        }
        return slow != header ? slow : null;
    }
    
    static void swapNode(Node header, Node nodeA, Node nodeB) {
        if (header == null || nodeA == null || nodeB == null) {
            return;
        }
        if (nodeA == header || nodeB == header) {
            return;
        }
        if (nodeA == nodeB) {
            return;
        }
        //找到nodeA的前驱结点
        Node preA = header;
        while (preA.next != nodeA) {
            preA = preA.next;
        }
        //找到nodeB的前驱结点
        Node preB = header;
        while (preB.next != nodeB) {
            preB = preB.next;
        }
        //nodeA和nodeB的后继结点
        Node postA = nodeA.next;
        Node postB = nodeB.next;
        //nodeA是nodeB的后继结点
        if (preB == nodeA) {
            nodeA.next = postB;
            nodeB.next = nodeA;
            preA.next = nodeB;
        //nodeB是nodeA的后继结点  
        } else if (preA == nodeB) {
            nodeB.next = postA;
            nodeA.next = nodeB;
            preB.next = nodeA;
        //nodeA和nodeB不相邻
        } else {
            preA.next = nodeB;
            nodeB.next = postA;
            preB.next = nodeA;
            nodeA.next = postB;
        }
    
    }
        
    static void printList(Node header) {
        if (header != null) {
            Node node = header.next;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while (node != null) {
                builder.append(String.valueOf(node.value));
                node = node.next;
                if (node != null) {
                    builder.append("->");
                }
            }
            System.out.println(builder.toString());
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int p[] = {1,2,3,4,5};
        Node header = createList(p, p.length);
        printList(header);
        Node nodeA = getLastKNode(header, 5);
        Node nodeB = getLastKNode(header, 1);
        swapNode(header, nodeA, nodeB);
        printList(header);
    }
}

运行结果

>> 5->4->3->2->1
>> 1->4->3->2->5

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