给定单链表,判断是否有环,如果有返回环入口

这是一题常见的面试题,考察求职者对链表的理解,题目在leetcode上:
Given a linked list, return the node where the cycle begins. If there is no cycle, return null.
首先来判断链表有没有环。看一个直观的例子:假设小明和专业运动员在400米标准环形操场上比赛跑步,由于长久缺乏锻炼,小明匀速跑一圈需要2分钟,而运动员匀速跑一圈只要1分钟。那么如果两个人同时、同一点出发,1分钟后小明跑了半圈,而运动员已经跑完一圈,开始第二圈;2分钟时,小明终于跑完一圈,而运动员刚好跑完第二圈,整整比小明多跑一圈,两人在终点相遇。如果运动员在小明前方S米处和小明同时出发,那么运动员会在小明跑完一圈前就追上小明(可怜的小明)。

回归问题,如果我们设定两个指针p1、p2,开始时指在链表头head,p1代表小明,每次前进一步;p2代表运动员,每次前进两步。如下图环形链表中,6步之后p2追上p1,再次相遇。

环链表

对于一般链表,p1、p2仍然同时从表头A点出发,由于前面有段非环的直线路程,当p1到B点进入环的时刻,p2已经在环内跑了一段路了,此刻开始,类似运动员和小明同时出发,而运动员的出发点领先于小明,在不超过一圈的路程内,运动员能够追上小明,p2也能在一圈以内赶上p1,假设两指针在C点相遇,此时,p1==p2,利用这个条件,我们可以断定链表有环。否则,当运动员跑到了尽头,还没有和小明相遇,说明他们的跑道没有环。

一般链表

再来看看环的入口在哪里。我们利用p1、p2在C点相遇的时刻来分析,假设AB的距离为s,BC的距离为r,CB的距离为l,p1走过距离为a = s + r则可以有以下关系:

(1)总长度 = s + r + l;
(2)环的长度 = r + l;
(3)p2走过距离 = 2a;
(4)p2 - p1 = a = s + r;
相遇时,p2比p1在环内多走了n圈(n>=1): 
(5) p2 - p1 = n(r + l);
结合(4)、(5): n(r + l) = s + r;
nr - r = s - nl;
(n - 1)r = s - (n - 1)l -l;
(6) (n -1)(r + l) = s - l;

从(6)我们可以看出一些规律(注意:环的长度 = r + l),当n = 1时,说明p2比p1多跑了一圈,此时,s = l。当n > 1时,说明p2比p1多跑了整整(n -1)圈再相遇,考虑s - l为环长度的(n -1)倍,(n -1)(r + l) + l = s,说明如果一个节点从A点开始,走s的距离和从C点开始走(n -1)圈再多l的距离刚好又能相遇在B点,B也正是环的入口。
分析完毕,再上C++代码:

 struct ListNode {
      int val;
      ListNode *next;
      ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 };
ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
        ListNode *p1 = head, *p2 = head;
        bool hasCycle = false;
        // 特殊情况判断
        if(head == NULL)
            return NULL;
        // p2走得快,当p2->next == NULL时,说明没有环
        while(p2 && p2->next)
        {
            p1 = p1->next;
            p2 = p2->next->next;
            if(p1 == p2) 
            {
               //  有环,立下flag
                hasCycle = true;
                break;
            }
        }
        if(!hasCycle)
        {
            return NULL;
        }
       // 一个从A前进,一个从C前进
        p2 = head;
        while(p1 != p2)
        {
            p1 = p1->next;
            p2 = p2->next;
        }
        return p1;
    }
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