代码随想录C++ Day3 | 203.移除链表元素 707.设计链表 206.反转链表

203.移除链表元素

给你一个链表的头节点 head 和一个整数 val ，请你删除链表中所有满足 Node.val == val 的节点，并返回 新的头节点 。

示例 1：

输入：head = [1,2,6,3,4,5,6], val = 6
输出：[1,2,3,4,5]

// 时间复杂度：O(n)
// 空间复杂度：O(1)
// 直接在原来的链表执行删除
/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
        // 判断是否需要删除头节点
        // 头节点的删除不能靠将前一个节点的next指向其后一个节点
        // 只需要将头指针指向第二个节点即可
        while (head != nullptr && head->val == val) { // 链表非空且头节点符合条件
            // 注意，由于最前边可能连续有好几个节点值和待移除值相同，所以要用while，不能用if
            // 使用temp节点保存头节点，后续要delete
            ListNode* temp = head;
            head = head->next;
            delete temp;
        }
 
        // 删除非头节点
        ListNode* cur = head; // 遍历所用的指针
        while (cur != nullptr && cur->next != nullptr) { // 链表非空且当前节点不是尾节点
            if (cur->next->val == val) { 
                // 前边的代码已经确保头指针不用删除, 直接看下一个节点
                // 链表移除节点需要节点前一个和后一个节点参与，但单链表当前节点无法访问前一个节
                // 所以在移除时，关注的是当前节点的后两个节点
                ListNode* temp = cur->next;
                cur->next = cur->next->next;
                delete temp;
            } else {
                cur = cur->next;
            }
        }
        return head;
    }
};

// 时间复杂度：O(n)
// 空间复杂度：O(1)
// 添加虚拟头节点再执行删除
/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
        // 添加虚拟头节点
        ListNode* dummy_head = new ListNode(0); 
        dummy_head->next = head; // 将虚拟头结点指向head，这样头节点也有方便后面做删除操作
        
        ListNode* cur = dummy_head; // 遍历所用的指针
        while (cur->next != nullptr) { // 当前节点不是尾节点，添加了虚拟头节点，链表肯定非空，不用再加cur != nullptr
            if (cur->next->val == val) {
                ListNode* temp = cur->next;
                cur->next = cur->next->next;
                delete temp;
            } else {
                cur = cur->next; // 更新遍历指针
            }
        }
        head = dummy_head->next; // 更新头指针，因为原来的头节点可能已被删除了
        delete dummy_head; // 释放虚拟头节点
        return head;
    }
};

707.设计链表

你可以选择使用单链表或者双链表，设计并实现自己的链表。

单链表中的节点应该具备两个属性：val 和 next 。val 是当前节点的值，next 是指向下一个节点的指针/引用。

如果是双向链表，则还需要属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点下标从 0 开始。

实现 MyLinkedList 类：

• MyLinkedList() 初始化 MyLinkedList 对象。
• int get(int index) 获取链表中下标为 index 的节点的值。如果下标无效，则返回 -1 。
• void addAtHead(int val) 将一个值为 val 的节点插入到链表中第一个元素之前。在插入完成后，新节点会成为链表的第一个节点。
• void addAtTail(int val) 将一个值为 val 的节点追加到链表中作为链表的最后一个元素。
• void addAtIndex(int index, int val) 将一个值为 val 的节点插入到链表中下标为 index 的节点之前。如果 index 等于链表的长度，那么该节点会被追加到链表的末尾。如果 index 比长度更大，该节点将 不会插入 到链表中。
• void deleteAtIndex(int index) 如果下标有效，则删除链表中下标为 index 的节点。

示例：

输入
["MyLinkedList", "addAtHead", "addAtTail", "addAtIndex", "get", "deleteAtIndex", "get"]
[[], [1], [3], [1, 2], [1], [1], [1]]
输出
[null, null, null, null, 2, null, 3]

解释
MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();
myLinkedList.addAtHead(1);
myLinkedList.addAtTail(3);
myLinkedList.addAtIndex(1, 2);    // 链表变为 1->2->3
myLinkedList.get(1);              // 返回 2
myLinkedList.deleteAtIndex(1);    // 现在，链表变为 1->3
myLinkedList.get(1);              // 返回 3 

class MyLinkedList {
public:
    // 定义单链表节点结构体
    struct LinkedNode {
        int val;
        LinkedNode* next;
        // 注意建立了有参构造，默认的无参构造就不提供了
        LinkedNode(int val):val(val), next(nullptr) {}
    };
 
    // 初始化链表
    MyLinkedList() {
        _dummy_head = new LinkedNode(0);
        _size = 0; // 虚拟头节点不算在链表长度
    }
    
    // 获取第index个节点的数值，如果index非法，返回-1
    // 注意index从0开始，0指的是头节点
    int get(int index) {
        if (index < 0 || index > (_size - 1)) {
            return -1;
        }
        LinkedNode* cur = _dummy_head->next; // 从头节点开始遍历
        while (index--) { // 0索引直接跳出循环
            cur = cur->next;
        }
        return cur->val;
    }
 
    // 在链表最前面插入一个节点，作为新的头节点
    void addAtHead(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        newNode->next = _dummy_head->next;
        _dummy_head->next = newNode;
        _size++; // 注意不要忘了更新size
    }
    
    // 在链表最后面添加一个节点
    void addAtTail(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummy_head;
        while (cur->next != nullptr) { // cur到尾节点推出
            cur= cur->next;
        }
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }
    
    // 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
    // 如果index<0, 在头节点插入
    void addAtIndex(int index, int val) {
        if (index > _size) return;
        if (index < 0) index = 0;
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummy_head; // 在前边插入，这里不要-1
        while (index--) { // index=0时直接跳出，cur->next是插入的位置
            cur = cur->next;
        }
        newNode->next = cur->next;
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }
    
    void deleteAtIndex(int index) {
        if (index < 0 || index > (_size - 1)) return;
        LinkedNode* cur = _dummy_head;
        while(index--) {
            cur = cur->next;
        }
        LinkedNode* temp = cur->next;
        cur->next = cur->next->next;
        delete temp;
        //delete命令指示释放了tmp指针原本所指的那部分内存，
        //被delete后的指针tmp的值（地址）并非就是NULL，而是随机值。也就是被delete后，
        //如果不再加上一句tmp=nullptr,tmp会成为乱指的野指针
        //如果之后的程序不小心使用了tmp，会指向难以预想的内存空间
        temp = nullptr;
        _size--;
    }
 
    // 打印链表
    void printLinkedList() {
        LinkedNode* cur = _dummy_head;
        while(cur->next != nullptr) {
            cout << cur->next->val << " ";
            cur = cur->next;
        }
        cout << endl;
    }
 
private:
    int _size;
    LinkedNode* _dummy_head;
};
 
/**
 * 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);
 */

直观来说，重新创建一个空链表，然后再将原链表的每个节点依次插入到新建链表的头节点，时间和空间复杂度都是O(n)

1. 双指针法

cur指针负责遍历链表，将遍历到的节点的next赋值为前一个节点，也就是pre指针指向的节点。由于cur的next的指向已经被修改了，遍历无法继续，于是还需要一个temp指针，提前保存cur->next的值（纠正：动画应该是先移动pre，在移动cur）

// 时间复杂度O(n)
// 空间复杂度O(1)
/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        ListNode* temp; // 保存cur->next, 使循环得以继续
        ListNode* cur = head; // 控制遍历的指针
        ListNode* pre = nullptr; // cur的前一个节点，初始值为nullptr
        while (cur) { // 注意，cur==nullptr时才跳出，不是到尾节点就跳出
            temp = cur->next; // 由于cur->next被改写，破坏循环，要提前记录
            cur->next = pre; // cur->next被改为指向前一个节点
            // 更新pre和cur指针
            pre = cur; // pre前移一个节点
            cur = temp; // cur前移一个节点
        }
        return pre;
    }
};

2. 递归法

 从前向后翻转

// 递归法，从前向后翻转
// 时间复杂度：O(n)
// 空间复杂度：O(n)
/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* reverse(ListNode* pre, ListNode* cur) {
        if (cur == nullptr) return pre;
        ListNode* temp = cur->next;
        cur->next = pre;
        // 可以和双指针法的代码进行对比，如下递归的写法，其实就是做了这两步
        // pre = cur;
        // cur = temp;
        return reverse(cur, temp);
    }
 
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        // 和双指针法初始化是一样的逻辑
        // ListNode* cur = head; 
        // ListNode* pre = nullptr; 
        return reverse(nullptr, head);
    }
};

• 时间复杂度: O(n), 要递归处理链表的每个节点
• 空间复杂度: O(n), 递归调用了 n 层栈空间

还有另外一种与双指针法不同思路的递归写法：从后往前翻转指针指向

class Solution {
public:
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        // 边缘条件判断
        if(head == nullptr) return nullptr; // 空链表返回空链表
        if (head->next == nullptr) return head; // 仅有一个节点返回原链表
        
        // 超过一个节点，递归调用
        // 递归到尾节点，开始返回，返回的是尾节点指针
        ListNode *last = reverseList(head->next); // 递归函数有返回值，这个返回值不修改返回，那么最后递归完成后的返回值，也就是初次返回的返回值
        // 从后向前，倒数第二次递归传入的是倒数第二个节点指针
        // 翻转倒数第二个节点和倒数第一个节点
        // 随着递归的依次返回，接下来传入倒数第三个、第四个，直到头节点
        // 翻转头节点与第二个节点的指向
        head->next->next = head;
        // 此时的 head 节点为尾节点，next 需要指向 NULL
        head->next = nullptr;
        return last; // 将尾节点，也就是反转后的头节点指针返回
    }
};