链表(python)

简介 - 单链表

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单链表中的每个结点不仅包含值，还包含链接到下一个结点的引用字段。通过这种方式，单链表将所有结点按顺序组织起来。、

下面是一个单链表的例子：

正如你所看到的，链表中的每个元素实际上是一个单独的对象，而所有对象都通过每个元素中的引用字段链接在一起。

链表有两种类型：单链表和双链表。上面给出的例子是一个单链表，这里有一个双链表的例子：

我们将在接下来的章节中介绍更多内容。完成这张卡片后，你将：

• 了解单链表和双链表的结构；
• 在单链表或双链表中实现遍历、插入和删除；
• 分析在单链表或双链表中的各种操作的复杂度；
• 在链表中使用双指针技巧（快指针慢指针技巧）；
• 解决一些经典问题，例如反转链表；
• 分析你设计的算法的复杂度；
• 积累设计和调试的经验。

单链表中的每个结点不仅包含值，还包含链接到下一个结点的引用字段。通过这种方式，单链表将所有结点按顺序组织起来。、

下面是一个单链表的例子：

蓝色箭头显示单个链接列表中的结点是如何组合在一起的。

在大多数情况下，我们将使用头结点(第一个结点)来表示整个列表。

操作

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与数组不同，我们无法在常量时间内访问单链表中的随机元素。 如果我们想要获得第 i 个元素，我们必须从头结点逐个遍历。 我们按索引来访问元素平均要花费 O(N) 时间，其中 N 是链表的长度。

例如，在上面的示例中，头结点是 23。访问第 3 个结点的唯一方法是使用头结点中的“next”字段到达第 2 个结点（结点 6）; 然后使用结点 6 的“next”字段，我们能够访问第 3 个结点。

你可能想知道为什么链表很有用，尽管它在通过索引访问数据时（与数组相比）具有如此糟糕的性能。 在接下来的两篇文章中，我们将介绍插入和删除操作，你将了解到链表的好处。

添加操作 - 单链表

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如果我们想在给定的结点 prev 之后添加新值，我们应该：

1. 使用给定值初始化新结点 cur；
2. 将 cur 的“next”字段链接到 prev 的下一个结点 next；
3. 将 prev 中的“next”字段链接到 cur 。

与数组不同，我们不需要将所有元素移动到插入元素之后。因此，您可以在 O(1) 时间复杂度中将新结点插入到链表中，这非常高效。

示例

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让我们在第二个结点 6 之后插入一个新的值 9。

我们将首先初始化一个值为 9 的新结点。然后将结点 9 链接到结点 15。最后，将结点 6 链接到结点 9。

插入之后，我们的链表将如下所示：

 

在开头添加结点

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众所周知，我们使用头结点来代表整个列表。

因此，在列表开头添加新节点时更新头结点 head 至关重要。

1. 初始化一个新结点 cur；
2. 将新结点链接到我们的原始头结点 head。
3. 将 cur 指定为 head。

例如，让我们在列表的开头添加一个新结点 9。

1. 我们初始化一个新结点 9 并将其链接到当前头结点 23。
2. 指定结点 9 为新的头结点。 

如何在列表的末尾添加新的结点？我们还能使用类似的策略吗？

  删除操作 - 单链表

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如果我们想从单链表中删除现有结点 cur，可以分两步完成：

1. 找到 cur 的上一个结点 prev 及其下一个结点 next；

　　2. 接下来链接 prev 到 cur 的下一个节点 next。

在我们的第一步中，我们需要找出 prev 和 next。使用 cur 的参考字段很容易找出 next，但是，我们必须从头结点遍历链表，以找出 prev，它的平均时间是 O(N)，其中 N 是链表的长度。因此，删除结点的时间复杂度将是 O(N)。

空间复杂度为 O(1)，因为我们只需要常量空间来存储指针。

示例

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让我们尝试把结点 6从上面的单链表中删除。

1. 从头遍历链表，直到我们找到前一个结点 prev，即结点 23

2. 将 prev（结点 23）与 next（结点 15）链接

结点 6 现在不在我们的单链表中。

删除第一个结点

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如果我们想删除第一个结点，策略会有所不同。

正如之前所提到的，我们使用头结点 head 来表示链表。我们的头是下面示例中的黑色结点 23。

如果想要删除第一个结点，我们可以简单地将下一个结点分配给 head。也就是说，删除之后我们的头将会是结点 6。

链表从头结点开始，因此结点 23 不再在我们的链表中。

删除最后一个结点呢？我们还能使用类似的策略吗？

链表中的双指针
让我们从一个经典问题开始：

给定一个链表，判断链表中是否有环。

你可能已经使用哈希表提出了解决方案。但是，使用双指针技巧有一个更有效的解决方案。在阅读接下来的内容之前，试着自己仔细考虑一下。

想象一下，有两个速度不同的跑步者。如果他们在直路上行驶，快跑者将首先到达目的地。但是，如果它们在圆形跑道上跑步，那么快跑者如果继续跑步就会追上慢跑者。

这正是我们在链表中使用两个速度不同的指针时会遇到的情况：

如果没有环，快指针将停在链表的末尾。
如果有环，快指针最终将与慢指针相遇。
所以剩下的问题是：

这两个指针的适当速度应该是多少？

一个安全的选择是每次移动慢指针一步，而移动快指针两步。每一次迭代，快速指针将额外移动一步。如果环的长度为 M，经过 M 次迭代后，快指针肯定会多绕环一周，并赶上慢指针。

那其他选择呢？它们有用吗？它们会更高效吗？

环形链表
给定一个链表，判断链表中是否有环。

为了表示给定链表中的环，我们使用整数 pos 来表示链表尾连接到链表中的位置（索引从 0 开始）。 如果 pos 是 -1，则在该链表中没有环。

输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

输入：head = [1,2], pos = 0
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def hasCycle(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: bool
        """
#         使用追逐法(双指针),fast每次走两步,slow每次走一步
        if head==None or head.next==None:
            return False
        fast=head.next
        slow=head
        while fast!=None:
            if fast==slow:
                return True
            fast=fast.next
            if fast==None:
                return False
            fast=fast.next
            slow=slow.next
        return False

环形链表 II
给定一个链表，返回链表开始入环的第一个节点。 如果链表无环，则返回 null。

为了表示给定链表中的环，我们使用整数 pos 来表示链表尾连接到链表中的位置（索引从 0 开始）。 如果 pos 是 -1，则在该链表中没有环。

说明：不允许修改给定的链表。
输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：tail connects to node index 1
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

输入：head = [1,2], pos = 0
输出：tail connects to node index 0
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

输入：head = [1], pos = -1
输出：no cycle
解释：链表中没有环。

https://blog.csdn.net/Sun_White_Boy/article/details/82845791?utm_source=blogxgwz3
# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def detectCycle(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
        if head == None or head.next == None:
            return None
        slow = fast = head
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
            if slow == fast:
                tmp = head
                while tmp != fast:
                    tmp,fast = tmp.next,fast.next
                return tmp
        return None

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def detectCycle(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
#思路:利用set进行存储head节点对象(地址),当地址重复时,即遇到重复环
        head_set=set()
        while head:
            if head in head_set:
                return head
            else:
                head_set.add(head)
            head=head.next
        return None

相交链表

编写一个程序，找到两个单链表相交的起始节点。

如下面的两个链表：

在节点 c1 开始相交。

示例 1：

输入：intersectVal = 8, listA = [4,1,8,4,5], listB = [5,0,1,8,4,5], skipA = 2, skipB = 3
输出：Reference of the node with value = 8
输入解释：相交节点的值为 8 （注意，如果两个列表相交则不能为 0）。从各自的表头开始算起，链表 A 为 [4,1,8,4,5]，链表 B 为 [5,0,1,8,4,5]。在 A 中，相交节点前有 2 个节点；在 B 中，相交节点前有 3 个节点。

示例 2：

输入：intersectVal = 2, listA = [0,9,1,2,4], listB = [3,2,4], skipA = 3, skipB = 1
输出：Reference of the node with value = 2
输入解释：相交节点的值为 2 （注意，如果两个列表相交则不能为 0）。从各自的表头开始算起，链表 A 为 [0,9,1,2,4]，链表 B 为 [3,2,4]。在 A 中，相交节点前有 3 个节点；在 B 中，相交节点前有 1 个节点。

示例 3：

输入：intersectVal = 0, listA = [2,6,4], listB = [1,5], skipA = 3, skipB = 2
输出：null
输入解释：从各自的表头开始算起，链表 A 为 [2,6,4]，链表 B 为 [1,5]。由于这两个链表不相交，所以 intersectVal 必须为 0，而 skipA 和 skipB 可以是任意值。
解释：这两个链表不相交，因此返回 null。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def getIntersectionNode(self, headA, headB):
        """
        :type head1, head1: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
#         思路:与上一题相似,利用set进行存储A每个节点的地址,通过遍历B,当节点存在是,return其节点的取值
        headA_set=set()
        while headA:
            headA_set.add(headA)
            headA=headA.next
        while headB:
            if headB in headA_set:
                return headB
            headB=headB.next
        return None

删除链表的倒数第N个节点

给定一个链表，删除链表的倒数第 n 个节点，并且返回链表的头结点。

示例：

给定一个链表: 1->2->3->4->5, 和 n = 2.

当删除了倒数第二个节点后，链表变为 1->2->3->5.
说明：

给定的 n 保证是有效的。

进阶：

你能尝试使用一趟扫描实现吗？

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def removeNthFromEnd(self, head, n):
        """
        :type head: ListNode
        :type n: int
        :rtype: ListNode
#     使用前后索引(双索引)，这个的写法是，用一条像是绳子一样的。
# |----------|
# slow     fast
# 让fast走n步。
# 然后fast和slow一起走，等fast.next是None，也就是到头了。那么slow就是要删除的点的前一个了。
# 直接把slow.next与slow.next.next结合就达标了。
# 如果走了n步后fast直接是None了。那么说明删除的节点是head，那么返回 head.next就好了。        

"""

        first=head
        tail=head
        while first:
            #表明tail 与first之间的距离达到了n,且tail.next==None,表明first的下一位为要删除的元素
            if tail.next==None and n==0:
                first.next=first.next.next
                return head
            #n!=0,表明该没有tail与first之间的距离还没有达到n,就停止了,head已经遍历完,那么其删除的元素为其第一个元素
            elif tail.next==None and n!=0:
                return head.next
            #tail与first之间间距为n
            if n!=0:
                tail=tail.next
                n-=1
                continue
            #满足间距之后,first与tail一起移动
            first=first.next
            tail=tail.next
        return None

反转链表
一种解决方案是按原始顺序迭代结点，并将它们逐个移动到列表的头部。似乎很难理解。我们先用一个例子来说明我们的算法

算法概述
让我们看一个例子：

请记住，黑色结点 23 是原始的头结点。

1. 首先，我们将黑色结点的下一个结点（即结点 6）移动到列表的头部：

2. 然后，我们将黑色结点的下一个结点（即结点 15）移动到列表的头部：

3. 黑色结点的下一个结点现在是空。因此，我们停止这一过程并返回新的头结点 15。

在该算法中，每个结点只移动一次。

因此，时间复杂度为 O(N)，其中 N 是链表的长度。我们只使用常量级的额外空间，所以空间复杂度为 O(1)。

反转链表
反转一个单链表。

示例:

输入: 1->2->3->4->5->NULL
输出: 5->4->3->2->1->NULL
进阶:
你可以迭代或递归地反转链表。你能否用两种方法解决这道题？

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def reverseList(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
#       迭代的方法
        prev = None
        while head:
            cur = head
            head = head.next
            cur.next = prev
            prev = cur
        return prev

移除链表元素
删除链表中等于给定值 val 的所有节点。

示例:

输入: 1->2->6->3->4->5->6, val = 6
输出: 1->2->3->4->5

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def removeElements(self, head, val):
        """
        :type head: ListNode
        :type val: int
        :rtype: ListNode
        """
#         思路:删除头结点为val的节点(保证上一个节点不等于val),这样好进行下面删除的操作.记录上一个节点为prev,记录当前节点为cur,进行判断,如果cur.val与val相等,则利用上一个节点连接当前节点的下一个节点.
        if head is None :
            return None
        while head.val == val:
            head = head.next
            if head is None:
                return None
        prev = head
        cur = head.next
        while cur != None:
            if cur.val == val:
                cur = cur.next
                prev.next = cur
            else:
                prev, cur = cur, cur.next
        return head

奇偶链表
给定一个单链表，把所有的奇数节点和偶数节点分别排在一起。请注意，这里的奇数节点和偶数节点指的是节点编号的奇偶性，而不是节点的值的奇偶性。

请尝试使用原地算法完成。你的算法的空间复杂度应为 O(1)，时间复杂度应为 O(nodes)，nodes 为节点总数。

示例 1:

输入: 1->2->3->4->5->NULL
输出: 1->3->5->2->4->NULL
示例 2:

输入: 2->1->3->5->6->4->7->NULL 
输出: 2->3->6->7->1->5->4->NULL
说明:

应当保持奇数节点和偶数节点的相对顺序。
链表的第一个节点视为奇数节点，第二个节点视为偶数节点，以此类推。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def oddEvenList(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
        #思路:将链表分为两部分,最后进行连接
        if head == None or head.next == None:
            return head
                slow=head
        fast=head.next
        t=fast
        #得保证两者的下一位都不为None,否则,会出现,None.next
        while  slow.next and fast.next:
            slow.next=fast.next
            slow=slow.next
            fast.next=slow.next
            fast=fast.next
        slow.next=t
        return head

回文链表
请判断一个链表是否为回文链表。

示例 1:

输入: 1->2
输出: false
示例 2:

输入: 1->2->2->1
输出: true

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def isPalindrome(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: bool
        """
#         思路:遍历链表,使用list存储,if not head :
            return True
        temp_list=[]
        while head:
            temp_list.append(head.val)
            head=head.next
        return temp_list==temp_list[::-1]

合并两个有序链表
将两个有序链表合并为一个新的有序链表并返回。新链表是通过拼接给定的两个链表的所有节点组成的。 

示例：

输入：1->2->4, 1->3->4
输出：1->1->2->3->4->4

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def mergeTwoLists(self, l1, l2):
        """
        :type l1: ListNode
        :type l2: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
        new_head=ListNode(0)
        pre=new_head
        while l1 and l2:
            if l1.val<=l2.val:
                pre.next=l1
                l1=l1.next
            else:
                pre.next=l2
                l2=l2.next
            pre=pre.next
        if l1==None:
            pre.next=l2
        if l2==None:
            pre.next=l1
        return new_head.next

两数相加
给出两个 非空 的链表用来表示两个非负的整数。其中，它们各自的位数是按照 逆序 的方式存储的，并且它们的每个节点只能存储 一位 数字。

如果，我们将这两个数相加起来，则会返回一个新的链表来表示它们的和。

您可以假设除了数字 0 之外，这两个数都不会以 0 开头。

示例：

输入：(2 -> 4 -> 3) + (5 -> 6 -> 4)
输出：7 -> 0 -> 8
原因：342 + 465 = 807

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def addTwoNumbers(self, l1, l2):
        """
        :type l1: ListNode
        :type l2: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
       #思路:将链表转化为list进行操作
        int_l1=''
        int_l2=''
        while l1:
            int_l1+=str(l1.val)
            l1=l1.next
        while l2:
            int_l2+=str(l2.val)
            l2=l2.next
        int_l1=int(int_l1[::-1])
        int_l2=int(int_l2[::-1])
        sum_=(int_l1+int_l2)
        nu=sum_%10
        sum_=sum_/10
        k=ListNode(nu)
        head=k
        while sum_:
            nu=sum_%10
            sum_=sum_/10
            head.next=ListNode(nu)
            head=head.next
        return k
        

练习题:

83. 删除排序链表中的重复元素
给定一个排序链表，删除所有重复的元素，使得每个元素只出现一次。

示例 1:

输入: 1->1->2
输出: 1->2
示例 2:

输入: 1->1->2->3->3
输出: 1->2->3
https://leetcode-cn.com/problems/remove-duplicates-from-sorted-list/

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def deleteDuplicates(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
        if head==None:
            return []
        prev=head
        next_=head.next
        while next_:
            if prev.val==next_.val:
                prev.next=next_.next
                next_=next_.next
                continue
            prev=next_
            next_=next_.next
        return head
                

876. 链表的中间结点
给定一个带有头结点 head 的非空单链表，返回链表的中间结点。

如果有两个中间结点，则返回第二个中间结点。

 

示例 1：

输入：[1,2,3,4,5]
输出：此列表中的结点 3 (序列化形式：[3,4,5])
返回的结点值为 3 。 (测评系统对该结点序列化表述是 [3,4,5])。
注意，我们返回了一个 ListNode 类型的对象 ans，这样：
ans.val = 3, ans.next.val = 4, ans.next.next.val = 5, 以及 ans.next.next.next = NULL.
示例 2：

输入：[1,2,3,4,5,6]
输出：此列表中的结点 4 (序列化形式：[4,5,6])
由于该列表有两个中间结点，值分别为 3 和 4，我们返回第二个结点。
 

提示：

给定链表的结点数介于 1 和 100 之间。
https://leetcode-cn.com/problems/middle-of-the-linked-list/

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode(object):
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution(object):
    def middleNode(self, head):
        """
        :type head: ListNode
        :rtype: ListNode
        """
#         思路:先进行遍历其长度,下一步直接遍历其元素
        first=head
        head_len=0
        while first:
            head_len+=1
            first=first.next
        head_2=head_len/2
        first=head
        while head_2:
            head_2-=1
            first=first.next
        return first

使用双指针解决链表问题提示
它与我们在数组中学到的内容类似。但它可能更棘手而且更容易出错。你应该注意以下几点：

1. 在调用 next 字段之前，始终检查节点是否为空。

获取空节点的下一个节点将导致空指针错误。例如，在我们运行 fast = fast.next.next 之前，需要检查 fast 和 fast.next 不为空。

2. 仔细定义循环的结束条件。

运行几个示例，以确保你的结束条件不会导致无限循环。在定义结束条件时，你必须考虑我们的第一点提示。

复杂度分析
空间复杂度分析容易。如果只使用指针，而不使用任何其他额外的空间，那么空间复杂度将是 O(1)。但是，时间复杂度的分析比较困难。为了得到答案，我们需要分析运行循环的次数。

在前面的查找循环示例中，假设我们每次移动较快的指针 2 步，每次移动较慢的指针 1 步。

如果没有循环，快指针需要 N/2 次才能到达链表的末尾，其中 N 是链表的长度。
如果存在循环，则快指针需要 M 次才能赶上慢指针，其中 M 是列表中循环的长度。
显然，M <= N 。所以我们将循环运行 N 次。对于每次循环，我们只需要常量级的时间。因此，该算法的时间复杂度总共为 O(N)。

自己分析其他问题以提高分析能力。别忘了考虑不同的条件。如果很难对所有情况进行分析，请考虑最糟糕的情况。