142. Linked List Cycle II

题目描述:给一个链表,判断其中环的起始结点,若没有环则返回null。要求不改变链表,空间复杂度O(1)。

分析:这题与141题是同一个算法引出的一系列问题,即Floyd判圈算法,又称龟兔赛跑算法,可以在有限状态机、迭代函数或者链表上判断是否存在环,并求出该环的起点与长度的算法。

算法的核心思想是设置快慢指针,例如设fast指针的速度是slow指针的2倍,若两指针能相遇则说明有环,否则无环。

例如有环链表如下图:



算法可以解决的问题有:

  1. 判断链表中是否有环,即141题。
  • 若就是一个循环链表,即Y点与X点是同一点,链表的尾结点链到头结点,此时由于fast指针速度是slow指针的2倍,故起点就是两者相遇点,每当slow指针回到起点则相遇,因为slow指针每走一圈即fast指针正好走两圈。

  • 若是像上图的一般情况,则当slow指针到达Y处时fast指针已经绕圈走了一段距离,故不一定会在Y处相遇。列方程可得这是一个只与时间有关的方程,即过一段时间一定可以相遇。

  • 若两指针在fast走到末尾还未相遇,则说明无环。

  1. 计算环的长度。
  • 第一种方法:第一次相遇后,让slow继续走,记录到下次遇到fast时,即到达Z点时,slow走过的结点数。此时slow走了一圈,正好还在Z点相遇。

  • 第二种方法:设环的长度为L,第一次相遇时slow走过的距离:a+b,fast走过的距离:a+b+c+b。因为fast的速度是slow的两倍,所以fast走的距离是slow的两倍,有 2(a+b) = a+b+c+b,得到a=c。发现L=b+c=a+b,也就是说,从一开始到二者第一次相遇,走过的结点数就等于环的长度。

  1. 找到环中第一个节点,即Y点。
    根据结论a=c,让两个指针分别从X和Z开始走,每次走一步,则正好会在Y相遇,也就是环的第一个节点。

  2. 将有环的链表变成单链表(解除环)
    在上一个问题的最后,将c段中Y点之前的结点与Y的链接切断即可。

  3. 判断两个单链表是否有交点,并找到第一个相交的结点。

  • 先判断两个链表是否有环,如果一个有环一个没环,肯定不相交;如果两个都没有环,则判断两个列表的尾部是否相等;如果两个都有环,判断一个链表上的Z点是否在另一个链表上。

  • 分别计算两个链表的长度len1,len2,假设链表1较长,首先对较长的链表遍历len1 - len2个结点到结点p,此时结点p与链表2头结点到两者相交的结点的距离相同,在此时同时遍历两个链表,直到相遇的结点为止,这个结点就是相交的结点。

在slow指针入环后,在最多走一圈的时间内必将遇到fast,时间复杂度O(n),空间O(1)。

代码

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
        ListNode *slow = head, *fast = head;
        while(fast && fast->next)
        {
            slow = slow->next;
            fast = fast->next->next;
            if ( slow == fast)           //找到相遇点
            {
                ListNode *p = head;
                while( p != slow)            //slow从Z点出发,新指针P从起点X出发同时走,直到相遇
                {
                    p = p->next;
                    slow = slow->next;
                }
                return p;
            }
        }
        return nullptr;
    }
};

参考:http://blog.csdn.net/sqiu_11/article/details/69841292

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