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01.Linked-List-Two-Pointers.md

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1. 双指针简介

在数组双指针中我们已经学习过了双指针的概念。这里再来复习一下。

双指针（Two Pointers）：指的是在遍历元素的过程中，不是使用单个指针进行访问，而是使用两个指针进行访问，从而达到相应的目的。如果两个指针方向相反，则称为「对撞时针」。如果两个指针方向相同，则称为「快慢指针」。如果两个指针分别属于不同的数组 / 链表，则称为「分离双指针」。

而在单链表中，因为遍历节点只能顺着 next 指针方向进行，所以对于链表而言，一般只会用到「快慢指针」和「分离双指针」。其中链表的「快慢指针」又分为「起点不一致的快慢指针」和「步长不一致的快慢指针」。这几种类型的双指针所解决的问题也各不相同。下面我们一一进行讲解。

2. 起点不一致的快慢指针

起点不一致的快慢指针：指的是两个指针从同一侧开始遍历链表，但是两个指针的起点不一样。 快指针 fast 比慢指针 slow 先走 n 步，直到快指针移动到链表尾端时为止。

2.1 起点不一致的快慢指针求解步骤

  • 使用两个指针 slow、fast。slow、fast 都指向链表的头节点，即：slow = head，fast = head。
  • 先将快指针向右移动 n 步。然后再同时向右移动快、慢指针。
  • 等到快指针移动到链表尾部（即 fast == None）时跳出循环体。

2.2 起点不一致的快慢指针伪代码模板

slow = head
fast = head

while n:
    fast = fast.next
    n -= 1
while fast:
    fast = fast.next
    slow = slow.next

2.3 起点不一致的快慢指针适用范围

起点不一致的快慢指针主要用于找到链表中倒数第 k 个节点、删除链表倒数第 N 个节点等。

2.4 删除链表的倒数第 N 个结点

2.4.1 题目链接

2.4.2 题目大意

给定一个链表的头节点 head。

要求：删除链表的倒数第 n 个节点，并且返回链表的头节点 head。要求使用一次遍历实现。

2.4.3 解题思路

常规思路是遍历一遍链表，求出链表长度，再遍历一遍到对应位置，删除该位置上的节点。

如果用一次遍历实现的话，可以使用起点不一致的快慢指针。让快指针 fast 先走 n 步，然后快指针、慢指针再同时走，每次一步，这样等快指针遍历到链表尾部的时候，慢指针就刚好遍历到了倒数第 n 个节点位置。将该位置上的节点删除即可。

注意：需要删除的节点可能包含了头节点。我们可以考虑在遍历之前，新建一个头节点，让其指向原来的头节点。这样，最终如果删除的是头节点，则删除原头节点即可。返回结果的时候，可以直接返回新建头节点的下一位节点。

2.4.4 代码

class Solution:
    def removeNthFromEnd(self, head: ListNode, n: int) -> ListNode:
        newHead = ListNode(0, head)
        fast = head
        slow = newHead
        while n:
            fast = fast.next
            n -= 1
        while fast:
            fast = fast.next
            slow = slow.next
        slow.next = slow.next.next
        return newHead.next

3. 步长不一致的慢指针

步长不一致的慢指针：指的是两个指针从同一侧开始遍历链表，两个指针的起点一样，但是步长不一致。例如，慢指针 slow 每次走 1 步，快指针 fast 每次走两步。直到快指针移动到链表尾端时为止。

3.1 步长不一致的快慢指针求解步骤

  • 使用两个指针 slow、fast。slow、fast 都指向链表的头节点。
  • 在循环体中将快、慢指针同时向右移动，但是快、慢指针的移动步长不一致。比如将慢指针每次移动 1 步，即 slow = slow.next。快指针每次移动 2 步，即 fast = fast.next.next。
  • 等到快指针移动到链表尾部（即 fast == None）时跳出循环体。

3.2 步长不一致的快慢指针伪代码模板

fast = head
slow = head

while fast and fast.next:
    slow = slow.next
    fast = fast.next.next

3.3 步长不一致的快慢指针适用范围

步长不一致的快慢指针适合寻找链表的中点、判断和检测链表是否有环、找到两个链表的交点等问题。

3.4 链表的中间结点

3.4.1 题目链接

3.4.2 题目大意

给定一个单链表。

要求：返回链表的中间节点。如果有两个中间节点，则返回第二个中间节点。

3.4.3 解题思路

常规思路是：先遍历一遍链表，统计一下节点个数为 n，再遍历到 n / 2 的位置，返回中间节点。

我们也可以使用步长不一致的快慢指针进行一次遍历找到链表的中间节点。具体做法如下：

  • 使用两个指针 slow、fast。slow、fast 都指向链表的头节点。
  • 在循环体中将快、慢指针同时向右移动。其中慢指针每次移动 1 步，即 slow = slow.next。快指针每次移动 2 步，即 fast = fast.next.next。
  • 等到快指针移动到链表尾部（即 fast == None）时跳出循环体，此时 slow 指向链表中间位置。
  • 返回 slow 指针。

3.4.4 代码

class Solution:
    def middleNode(self, head: ListNode) -> ListNode:
        fast = head
        slow = head
        while fast and fast.next:
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next
        return slow

3.5 判断链表中是否含有环

3.5.1 题目链接

3.5.2 题目大意

给定一个链表。

要求：判断链表中是否有环。如果有环则返回 True，否则返回 False。

3.5.3 解题思路

思路 1：哈希表

最简单的思路是遍历所有节点，每次遍历节点之前，判断该节点是否被访问过。如果访问过就说明存在环，如果没访问过则将该节点添加到哈希表中，继续遍历判断。

时间复杂度：$O(n)$

空间复杂度：$O(n)$

思路 2. 快慢指针（Floyd 判圈算法）

另一种方法是 Floyd 判圈算法（龟兔赛跑算法）。

类似与跑步。两个人从同一位置同时出发，如果跑道有环（环形跑道），那么快的一方总能追上慢的一方。

基于上边的想法，Floyd 用两个指针，一个慢指针（龟）每次前进一步，快指针（兔）指针每次前进两步（两步或多步效果是等价的）。如果两个指针在链表头节点以外的某一节点相遇（即相等）了，那么说明链表有环，否则，如果（快指针）到达了某个没有后继指针的节点时，那么说明没环。

时间复杂度：$O(n)$

空间复杂度：$O(1)$

2.5.4 代码

思路 1：哈希表代码
class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        nodeset = set()

        while head:
            if head in nodeset:
                return True
            nodeset.add(head)
            head = head.next
        return False
思路 2：快慢指针（Floyd 判圈算法）代码
class Solution:
    def hasCycle(self, head: ListNode) -> bool:
        if head == None or head.next == None:
            return False

        slow = head
        fast = head.next

        while slow != fast:
            if fast == None or fast.next == None:
                return False
            slow = slow.next
            fast = fast.next.next

        return True

4. 分离双指针

分离双指针：两个指针分别属于不同的链表，两个指针分别在两个链表中移动。

4.1 分离双指针求解步骤

  • 使用两个指针 left_1、left_2。left_1 指向第一个链表头节点，即：left_1 = list1，left_2 指向第二个链表头节点，即：left_2 = list2。
  • 当满足一定条件时，两个指针同时右移，即 left_1 = left_1.next、left_2 = left_2.next。
  • 当满足另外一定条件时，将 left_1 指针右移，即 left_1 = left_1.next。
  • 当满足其他一定条件时，将 left_2 指针右移，即 left_2 = left_2.next。
  • 当其中一个链表遍历完时或者满足其他特殊条件时跳出循环体。

4.2 分离双指针伪代码模板

left_1 = list1
left_2 = list2

while left_1 and left_2:
    if 一定条件 1:
        left_1 = left_1.next
        left_2 = left_2.next
    elif 一定条件 2:
        left_1 = left_1.next
    elif 一定条件 3:
        left_2 = left_2.next

4.3 分离双指针适用范围

分离双指针一般用于有序链表合并等问题。

4.4 合并两个有序链表

4.4.1 题目链接

4.4.2 题目大意

给定两个升序链表。

要求：将其合并为一个升序链表。

4.4.3 解题思路

利用归并排序的思想。

  • 建立一个哑节点 dummy_head，作为链表的头节点。使用 cur 指针指向 dummy_head。
  • 使用双指针 left_1、left_2 分别指向两个有序链表的头节点，即 left_1 = list1、left_2 = list2。
  • 然后判断 left_1和 left_2 节点的值，将较小值的节点添加到新的链表中。
  • 当一个节点添加到新的链表中之后，将对应的 left_1 或 left_2 沿着 next 指针向右移动 1 位。
  • 然后继续判断当前 left_1 节点和当前 left_2 节点的值，继续将较小值的节点添加到新的链表中，然后将对应的指针向右移动 1 位。
  • 这样，当 left_1 或 left_2 遍历到链表末尾，最多有 1 个链表还有节点未遍历，则直接将该节点链接到新的链表尾部即可。
  • 最后将哑节点 dummy_dead 的下一个链节点 dummy_head.next 作为新链表的头节点返回。

4.4.4 代码

class Solution:
    def mergeTwoLists(self, list1: Optional[ListNode], list2: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        dummy_head = ListNode(-1)
        cur = dummy_head

        left_1 = list1
        left_2 = list2
        
        while left_1 and left_2:
            if left_1.val <= left_2.val:
                cur.next = left_1
                left_1 = left_1.next
            else:
                cur.next = left_2
                left_2 = left_2.next
            cur = cur.next

        cur.next = left_1 if left_1 is not None else left_2

        return dummy_head.next