复制含有随机指针节点的链表

【说明】：

　　本文是左程云老师所著的《程序员面试代码指南》第二章中“复制含有随机指针节点的链表”这一题目的C++复现。

　　本文只包含问题描述、C++代码的实现以及简单的思路，不包含解析说明，具体的问题解析请参考原书。

　　感谢左程云老师的支持。

【题目】：

　　一种特殊的链表节点类描述如下：

struct Node
 12 {
 13     int value;
 14     Node *next;
 15     Node *rand;
 16 };

　　Node 中的 value 是节点值，next 指针和正常链表中的 next 指针的意义一样，都指向下一个节点，rand 指针是 Node 类中新增的指针，这个指针可能指向链表中的任意一个节点，也可能指向 NULL。

　　给定一个由 Node 节点类型组成的无环单链表的头节点 head，请实现一个函数完成这个链表中所有结构的复制，并返回复制的新链表的头节点。例如：链表1->2->3->NULL。假设 1 的 rand 指针指向 3，2 的 rand 指针指向NULL，3 的 rand 指针指向 1。复制后的链表应该也是这种结构，比如， 1‘-2'->3'->NULL，1' 的 rand 指针指向 3，2' 的 rand 指针指向 NULL，3' 的 rand 指针指向 1‘，最后返回 1‘。

【进阶】：

　　不是用额外的数据结构，只使用有限几个变量，且在时间复杂度为 O(N)内完成原问题要实现的函数。

【思路】：

　　普通解法：使用hash_map

　　进阶解法：1->2->3-NULL   ------>    1->1'->2->2'->3->3'->NULL

　　不管是普通算法还是进阶算法找到 rand 所对应的 Node 是关键。

【编译环境】：

　　CentOS6.7（x86_64）

　　gcc 4.4.7

 【实现】：

　　实现及测试代码：

/*
 *文件名：listWithRand_copy.cpp
 *作者：
 *摘要：复制含有随机指针节点的链表
 */

#include <iostream>
#include <hash_map>

using namespace std;
using namespace __gnu_cxx;

struct Node
{
    int value;
    Node *next;
    Node *rand;
};

//使用hash_map所需要的hash函数
struct hash_Node
{
    size_t operator() (const Node &node) const
    {
        return node.value;
    }
};

//使用hash_map所需要的比较函数
struct compare_Node
{
    bool operator() (const Node &n1,const Node &n2) const
    {
        return n1.value == n2.value && n1.next == n2.next && n1.rand == n2.rand;
    }
};

//使用hash_map解决问题
Node* copyListWithRand1(Node *head)
{
    hash_map<Node,Node,hash_Node,compare_Node> map;
    Node *cur = head;
    while(NULL != cur)
    {
        Node *ptr = new Node;
        ptr->value = cur->value;
        ptr->next = NULL;
        ptr->rand = NULL;
        map[*cur] = *ptr;    //一一对应的关系
        cur = cur->next;
    }
    cur = head;
    while(NULL != cur)
    {
        map[*cur].next = cur->next;
        map[*cur].rand = cur->rand;
        cur = cur->next;
    }
    return &map[*head];
}

Node* copyListWithRand2(Node *head)
{
    if(NULL == head)
        return NULL;
    Node *cur = head;
    Node *next = NULL;
    while(NULL != cur)
    {
        next = new Node;
        next->value = cur->value;
        next->next = cur->next;
        next->rand = NULL;
        cur->next = next;
        cur = next->next;
    }
    
    cur = head;
    Node *curCopy = NULL;
    while(NULL != cur)    //复制rand
    {
        next = cur->next->next;
        curCopy = cur->next;
        curCopy->rand = NULL != cur->rand ? cur->rand->next : NULL;
        cur = next;
    }
    
    Node *res = head->next;
    cur = head;
    while(NULL != cur)
    {
        next = cur->next->next;
        curCopy = cur->next;
        cur->next = next;
        curCopy->next = NULL != next ? next->next : NULL;
        cur = next;
    }
    return res;
}

void printListWithRand(Node *head)
{
    while(NULL != head)
    {
        if(NULL != head->rand)
            cout << head->value << " rand is: " << head->rand->value << endl;
        else
            cout << head->value << " rand is: NULL " << endl;
            
        if(NULL != head->next)
            cout << head->value << " next is: " << head->next->value << endl;
        else
            cout << head->value << " next is: NULL " << endl;
        head = head->next;
    }
}

int main()
{
    Node *head = NULL;
    Node *ptr = NULL;
    
    for(int i =0;i<4;i++)//构造链表
    {
        if(NULL == head)
        {    
            head = new Node;
            head->value = i;
            head->next = NULL;
            head->rand = NULL;
            ptr = head;
            continue;
        }
        ptr->next = new Node;
        ptr->rand = ptr->next;
        ptr = ptr->next;
        ptr->value = i;
        ptr->next = NULL;
        ptr->rand = NULL;
    }
    
    cout << "before copy:" << endl;
    printListWithRand(head);    

    cout << "Using hash_map to copy:" << endl;
    ptr = copyListWithRand1(head);
    printListWithRand(ptr);    

    cout << "Using advanced algorithm to copy:" << endl;
    ptr = copyListWithRand2(head);
    printListWithRand(ptr);    
    return 0;
}

【说明】

　　关于hash_map的使用，依然请参考[Z]C++ STL中哈希表 hash_map介绍

　　使用 struct 来声明节点貌似不太符合C++哈，下次开始使用 class 来声明

注：

　　转载请注明出处；

　　转载请注明源思路来自于左程云老师的《程序员代码面试指南》。