两个链表找出第一个交点

题目：两个单向链表，找出它们的第一个公共结点。

链表的结点定义为：

struct ListNode

{

      int       m_nKey;

      ListNode*   m_pNext;

};

分析：这是一道微软的面试题。微软非常喜欢与链表相关的题目，因此在微软的面试题中，链表出现的概率相当高。

如果两个单向链表有公共的结点，也就是说两个链表从某一结点开始，它们的m_pNext都指向同一个结点。但由于是单向链表的结点，每个结点只有一个m_pNext，因此从第一个公共结点开始，之后它们所有结点都是重合的，不可能再出现分叉。所以，两个有公共结点而部分重合的链表，拓扑形状看起来像一个Y，而不可能像X。

看到这个题目，第一反应就是蛮力法：在第一链表上顺序遍历每个结点。每遍历一个结点的时候，在第二个链表上顺序遍历每个结点。如果此时两个链表上的结点是一样的，说明此时两个链表重合，于是找到了它们的公共结点。如果第一个链表的长度为m，第二个链表的长度为n，显然，该方法的时间复杂度为O(mn)。

接 下来我们试着去寻找一个线性时间复杂度的算法。我们先把问题简化：如何判断两个单向链表有没有公共结点？前面已经提到，如果两个链表有一个公共结点，那么 该公共结点之后的所有结点都是重合的。那么，它们的最后一个结点必然是重合的。因此，我们判断两个链表是不是有重合的部分，只要分别遍历两个链表到最后一 个结点。如果两个尾结点是一样的，说明它们用重合；否则两个链表没有公共的结点。

在上面的思路中，顺序遍历两个链表到尾结点的时候，我们不能保证在两个链表上同时到达尾结点。这是因为两个链表不一定长度一样。但如果假设一个链表比另一个长l个结点，我们先在长的链表上遍历l个结点，之后再同步遍历，这个时候我们就能保证同时到达最后一个结点了。由于两个链表从第一个公共结点考试到链表的尾结点，这一部分是重合的。因此，它们肯定也是同时到达第一公共结点的。于是在遍历中，第一个相同的结点就是第一个公共的结点。

在这个思路中，我们先要分别遍历两个链表得到它们的长度，并求出两个长度之差。在长的链表上先遍历若干次之后，再同步遍历两个链表，知道找到相同的结点，或者一直到链表结束。此时，如果第一个链表的长度为m，第二个链表的长度为n，该方法的时间复杂度为O(m+n)。

基于这个思路，我们不难写出如下的代码：

template<typename T>
struct ListNode
{
    T data;
    ListNode* pNext;
};
template<typename T> int GetListLength(ListNode<T>* pHead)
{
    int nLength = 0;
    while(pHead)
    {
        ++nLength;
        pHead = pHead->pNext;
    }
    return nLength;
}
template<typename T>
ListNode<T>* FindFirstCommonNode(ListNode<T>* pHead1, ListNode<T>* pHead2)
{
    int nLength1 = GetListLength(pHead1);
    int nLength2 = GetListLength(pHead2);

    // 交换两链表，是1为较长的链表
    if(nLength1 < nLength2)
    {
        ListNode<T>* pTemp = pHead1;
        pHead1 = pHead2;
        pHead2 = pTemp;
    }
    for(int i = 0; i < nLength1 - nLength2; ++i)
    {
        pHead1 = pHead1->pNext;
    }
    while(pHead1 && pHead1 != pHead2)
    {
        pHead1 = pHead1->pNext;
        pHead2 = pHead2->pNext;
    }

    return pHead1;
}

PS:两个有公共结点而部分重合的链表，拓扑形状看起来像一个Y，而不可能像X。即从公共节点开始之后的所有都相同！求出链表长度差，遍历差数目长的链表，之后同步遍历两链表，第一个相同的节点即是结果。

PS：另外一种方法是把在一个链表尾部插入另一个链表，然后判断合成的新链表是否有环。环入口即为第一个公共点。

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上题是基于两个链表无环考虑的。

1）判断一个链表是否有环。

设置两个指针(fast, slow)，初始值都指向头，slow每次前进一步，fast每次前进二步，如果链表存在环，则fast必定先进入环，而slow后进入环，两个指针必定相遇。(当然，fast先行头到尾部为NULL，则为无环链表)

// 判断链表是否有环
template<typename T>
bool HasRing(ListNode<T>* pHead)
{
    ListNode<T>* pFast = pHead;
    ListNode<T>* pSlow = pHead;
    while(pFast && pFast->pNext)
    {
        pSlow = pSlow->pNext;
        pFast = pFast->pNext->pNext;

        if(pSlow == pFast) break;
    }

    return !pFast && !pFast->pNext;
}

2）确定环入口：

当fast若与slow相遇时，slow肯定没有走遍历完链表，而fast已经在环内循环了n圈(1<=n)。

假设slow走了s步，则fast走了2s步（fast步数还等于s 加上在环上多转的n圈），设环长为r，则：

2s = s + nr
s= nr

设入口环与相遇点距离为x，x<r，起点到环入口点的距离为a.

a = s - x = (n-1)r+ (r-x), 而r-x即为fast再次到环入口点时的步数

由此可知，从链表头到环入口点等于(n-1)循环内环+相遇点到环入口点，于是我们从链表头、与相遇点分别设一个指针，每次各走一步，两个指针必定相遇，且相遇第一点为环入口点。

// 判断链表环入口，如果没有环，返回NULL
template<typename T>
ListNode* FindRingEntrance(ListNode<T>* pHead)
{
    ListNode<T>* pFast = pHead;
    ListNode<T>* pSlow = pHead;

    // 先找到相遇点
    while(pFast && pFast->pNext)
    {
        pSlow = pSlow->pNext;
        pFast = pFast->pNext->pNext;
        if(pSlow == pFast) break;
    }

    // 一个从起点，一个从相遇点重新遍历，步长相同，当再次相遇时，就是环入口
    pSlow = pHead;
    while(pFast && pFast != pSlow)
    {
        pSlow = pSlow->pNext;
        pFast = pFast->pNext;
    }

    return pFast;
}

3）如过两个链表可能有环，如何判断两个链表是否相交？以及找到两个链表的第一个公共点？

如果两个有环的链表相交，那么它们的环必定为公共环。如果交点不在环上，第一个公共点就是第一个交点。但是如果交点在环上，环的入口点不同。那么就以任一环的入口点为第一公共点。

有可能两个链表均有环，但是它们并不相交。

算法：

找到两个链表的环入口。如果有一个为NULL，一个非NULL，一定无交点，返回NULL。

如果均为NULL，变成两个无环链表求交点。

如果均非NULL，则是判断两个有环的链表是否有交点：如果环入口相同，则它们实在分支上相交。否则判断是否能从一个环中找到另一个的入口节点。

// 通用的链表求第一公共交点的函数
template<typename T>
ListNode<T>* FindFirstCommonNode_2(ListNode<T>* pHead1, ListNode<T>* pHead2)
{
    ListNode<T>* pEntrance1 = FindRingEntrance(pHead1);
    ListNode<T>* pEntrance2 = FindRingEntrance(pHead2);

    ListNode<T>* pResult = NULL;
    if(pEntrance1 == pEntrance2)
    {
        ListNode<T>* pTemp1 = NULL, *pTemp2 = NULL;
        if(pEntrance1)
        {
            // 环入口点已经相交，寻找第一交点。
            pTemp1 = pEntrance1->pNext;
            pTemp2 = pEntrance2->pNext;
            pEntrance1->pNext = NULL;
            pEntrance2->pNext = NULL;
            pResult = FindFirstCommonNode(pHead1, pHead2);
            pEntrance1->pNext = pTemp1;
            pEntrance2->pNext = pTemp2;
        }
        else
        {
            // 无环单链表求第一交点
            pResult = FindFirstCommonNode(pHead1, pHead2);
        }

        return pResult;
    }
    else if(pEntrance1 == NULL || pEntrance2 == NULL)
    {
        // 一有环，另一个无环，无交点
        return NULL;
    }
    else
    {
        // 入口点不同的两环求交点
        pResult = pEntrance1->pNext;
        while(pResult != pEntrance2 && pResult != pEntrance1)
        {
            pResult = pResult->pNext;
        }

        return pResult == pEntrance2 ? pResult : NULL;
    }
}

参考链接：https://blog.csdn.net/wcyoot/article/details/6426436