链表基础

单链表：单链表是一种通过指针串联在一起的线性结构，每一个节点由两部分组成，一个是数据域一个是指针域（存放指向下一个节点的指针），最后一个节点的指针域指向null（空指针的意思）。链接的入口节点称为链表的头结点也就是head。如图所示：
双链表：每一个节点有两个指针域，一个指向下一个节点，一个指向上一个节点。双链表既可以向前查询也可以向后查询。如图所示：
循环链表：链表首尾相连。循环链表可以用来解决约瑟夫环问题。如图所示：
链表存储方式：链表中的节点在内存中不是连续分布的，而是散乱分布在内存中的某地址上，分配机制取决于操作系统的内存管理。
链表定义:

// 单链表
struct ListNode {
    int val;  // 节点上存储的元素
    ListNode *next;  // 指向下一个节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}  // 节点的构造函数
};

经典例题

移除链表元素(203)

题目地址

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]

203

示例 2：
输入：head = [], val = 1
输出：[]

示例 3：
输入：head = [7,7,7,7], val = 7
输出：[]

思路

为了统一对头节点与其他节点的操作方式，设置一个虚拟节点作为新的头节点，在最后返回虚拟头节点的下一个节点，这才是真的头节点。

代码

class Solution
{
public:
    ListNode *removeElements(ListNode *head, int val)
    {
        ListNode *dummyHead = new ListNode(0);  // 定义虚拟头
        dummyHead->next = head;  //将虚拟头节点作为新的头节点
        ListNode *cur = dummyHead;
        while (cur->next != nullptr)  //循环全部节点
        {
            if (cur->next->val == val)  //判断值
            {
                ListNode *tmp = cur->next;
                cur->next = cur->next->next;
                delete tmp;   //释放内存
            }
            else
            {
                cur = cur->next;
            }
        }
        return dummyHead->next;
    }
};

设计链表(707)

题目地址

设计链表的实现。您可以选择使用单链表或双链表。单链表中的节点应该具有两个属性：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。如果要使用双向链表，则还需要一个属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点都是 0-index的。

在链表类中实现这些功能：

get(index)：获取链表中第 index 个节点的值。如果索引无效，则返回-1。
addAtHead(val)：在链表的第一个元素之前添加一个值为 val 的节点。插入后，新节点将成为链表的第一个节点。
addAtTail(val)：将值为 val 的节点追加到链表的最后一个元素。
addAtIndex(index,val)：在链表中的第 index 个节点之前添加值为 val 的节点。如果 index 等于链表的长度，则该节点将附加到链表的末尾。如果 index 大于链表长度，则不会插入节点。如果index小于0，则在头部插入节点。
deleteAtIndex(index)：如果索引 index 有效，则删除链表中的第 index 个节点。

示例：
MyLinkedList linkedList = new MyLinkedList();
linkedList.addAtHead(1);
linkedList.addAtTail(3);
linkedList.addAtIndex(1,2);   //链表变为1-> 2-> 3
linkedList.get(1);            //返回2
linkedList.deleteAtIndex(1);  //现在链表是1-> 3
linkedList.get(1);            //返回3

思路

实现5个接口

获取链表第index个节点的数值
在链表的最前面插入一个节点
在链表的最后面插入一个节点
在链表第index个节点前面插入一个节点
删除链表的第index个节点

细节

在获取第index节点时，将cur指向dummyHead->next
在插入或删除第index节点时，因为只能通过index前一个节点才能对index进行插入或删除，所以将cur指向dummyHead

代码

#include <iostream>

using namespace std;

class MyLinkedList {
public:

    struct LinkedNode
    {
        int val;
        LinkedNode *next;
        LinkedNode(int val) : val(val), next(nullptr){}
    };

    MyLinkedList() {
        _dummyHead = new LinkedNode(0);
        _size = 0;
    }
    
    int get(int index) {  //return索引节点值
        if (index < 0 || index > (_size - 1))  //包含头节点（size-1）
        {
            return -1;
        }
        LinkedNode *cur = _dummyHead->next;  //cur为第index节点
        while (index--)
        {
            cur = cur->next;
        }
        return cur->val;
    }
    
    void addAtHead(int val) {  //添加头节点
        LinkedNode *newNode = new LinkedNode(val);
        newNode->next = _dummyHead->next;
        _dummyHead->next = newNode;
        _size++;
    }
    
    void addAtTail(int val) {  //添加末尾节点
        LinkedNode *newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode *cur = _dummyHead;  //cur为末尾节点前一个
        while (cur->next != nullptr)
        {
            cur = cur->next;
        }
        newNode->next = cur->next; 
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }
    
    void addAtIndex(int index, int val) {  //再index前添加val的节点
        if (index < 0 || index > _size)  //不包含头节点（size）
        {
            return;
        }
        LinkedNode *newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode *cur = _dummyHead;
        while(index--)
        {
            cur = cur->next;
        }
        newNode->next = cur->next;
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }
    
    void deleteAtIndex(int index) {  //删除index节点
        if (index < 0 || index > (_size - 1))
        {
            return;
        }
        LinkedNode *cur = _dummyHead;
        while (index--)
        {
            cur = cur->next;
        }
        LinkedNode *tmp = cur->next;
        cur->next = cur->next->next;
        delete tmp;
        _size--;
    }

    void printLinkedList(){  //打印列表
        LinkedNode *cur = _dummyHead;
        while (cur->next != nullptr)
        {
            cout << cur->next->val << "";
            cur = cur->next;
        }
        cout << endl;
    } 

private:
    int _size;
    LinkedNode *_dummyHead;
};

反转列表(206)

代码地址

给你单链表的头节点 head ，请你反转链表，并返回反转后的链表。

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

206-1

示例 2：
输入：head = [1,2]
输出：[2,1]

206-2

示例 3：
输入：head = []
输出：[]

思路

在链表中，只要改变指针的指向就可以实现链表的反转。

第一种想法是定义两个指针：cur指向头节点，pre指向空指针，将cur->next保存为tmp，因为若不保存，更改cur->next指向后，原先的cur->next节点就访问不到了，将cur->next指向pre。要先将pre向下一个节点移动，pre = cur，后将cur移动至下一个节点，cur = tmp，若先移动cur，则当前的节点就访问不到了，无法将当前节点赋给pre。最后返回pre，此时的cur指向空结点。

双指针写法

class Solution
{
public:
    ListNode *reverseList(ListNode *head)
    {
        ListNode *cur = head;
        ListNode *pre = nullptr;
        ListNode *tmp = nullptr;
        while (cur)
        {
            tmp = cur->next;
            cur->next = pre;

            pre = cur;  //先移动pre
            cur = tmp;  //后移动cur
        }
        return pre;
    }
};

在此基础上，每次移动指针的操作是重复的，所以可以用递归的方式写。

class Solution
{
public:
    ListNode *reverseList(ListNode *head)
    {
        return reverse(head, nullptr);
    }

    ListNode *reverse(ListNode *cur, ListNode *pre)
    {
        if (cur == nullptr)
        {
            return pre;
        }
        ListNode *tmp = cur->next;
        cur->next = pre;
        return reverse(tmp, cur);
    }
};

两两交换链表中的节点(24)

题目地址

给你一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后链表的头节点。你必须在不修改节点内部的值的情况下完成本题（即，只能进行节点交换）。

示例 1：
输入：head = [1,2,3,4]
输出：[2,1,4,3]

24-1

示例 2：
输入：head = []
输出：[]

示例 3：
输入：head = [1]
输出：[1]

思路

看似这道题是换数值，其实是换结点的问题。使用虚拟头节点统一规则，令dummyHead->next = Head，让cur指向dummyHead，cur->next = cur->next->next, 但是cur->next原来的节点就访问不到了，所以在此之前要先用tmp保存下来，tmp = cur->next, 此时可以cur->next->next = tmp, 但此时，cur->next->next->next指向的是原链表的cur->next->next,所以要用tmp1保存原先的cur->next->next->next，最后再移动两个结点进行下一次换位操作。

代码

class Solution {
public:
    ListNode* swapPairs(ListNode* head) {
        ListNode *dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead->next = head;
        ListNode *cur = dummyHead;
        while (cur->next != nullptr && cur->next->next != nullptr)
        {
            ListNode* tmp = cur->next;
            ListNode *tmp1 = cur->next->next->next;

            cur->next = cur->next->next;
            cur->next->next = tmp;
            cur->next->next->next = tmp1;

            cur = cur->next->next;
        }
        return dummyHead->next;
    }
};

删除链表的倒数第N个节点(19)

题目地址

给你一个链表，删除链表的倒数第 n 个结点，并且返回链表的头结点。

示例 1：
输入：head = [1,2,3,4,5], n = 2
输出：[1,2,3,5]

19-1

示例 2：
输入：head = [1], n = 1
输出：[]

示例 3：
输入：head = [1,2], n = 1
输出：[1]

思路

这道题是删除倒数的节点，定义一个快指针，一个慢指针，让快指针先走n+1步，然后快慢指针同时向前移动，直到快指针指向空指针，此时慢指针指向要删除结点的前一个(快指针多走一步，慢指针就少走一步)。

代码

class Solution
{
public:
    ListNode *removeNthFromEnd(ListNode *head, int n)
    {
        ListNode *dummyHead = new ListNode(0);
        dummyHead->next = head;
        ListNode *fast = dummyHead;
        ListNode *slow = dummyHead;
        // 走n步
        while (n-- && fast != nullptr)
        {
            fast = fast->next;
        }
        // n+1
        fast = fast->next;
        while (fast != nullptr)
        {
            fast = fast->next;
            slow = slow->next;
        }

        ListNode *tmp = slow->next;
        slow->next = slow->next->next;
        delete tmp;

        return dummyHead->next;
    }
};

链表相交(160)

题目地址

给你两个单链表的头节点 headA 和 headB ，请你找出并返回两个单链表相交的起始节点。如果两个链表没有交点，返回 null 。

图示两个链表在节点 c1 开始相交： 160-1 题目数据保证整个链式结构中不存在环。

注意，函数返回结果后，链表必须保持其原始结构。

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：Intersected at '8'
解释：相交节点的值为 8 （注意，如果两个链表相交则不能为 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。

160-2

示例 2：
输入：intersectVal = 2, listA = [0,9,1,2,4], listB = [3,2,4], skipA = 3, skipB = 1
输出：Intersected at '2'
解释：相交节点的值为 2 （注意，如果两个链表相交则不能为 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。

160-3

示例 3：
输入：intersectVal = 0, listA = [2,6,4], listB = [1,5], skipA = 3, skipB = 2
输出：null
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。
这两个链表不相交，因此返回 null 。

160-4

思路

这道题看似是找数值相同的结点，其实是找指针相同的结点。先判断两个链表的长度，然后让两个链表末尾对齐，长链表的起点对齐到短链表的起点。然后一起移动判断是否相同。

class Solution
{
public:
    ListNode *getIntersectionNode(ListNode *headA, ListNode *headB)
    {
        ListNode *curA = headA;
        ListNode *curB = headB;

        int lengthA = 0;
        int lengthB = 0;
        while (curA->next != nullptr)  //计算链表A长度
        {
            curA = curA->next;
            lengthA++;
        }
        while (curB->next != nullptr)  //计算链表B长度
        {
            curB = curB->next;
            lengthB++;
        }

        curA = headA;
        curB = headB;

        if (lengthA < lengthB)  //判断长度大小
        {
            swap(lengthA, lengthB);
            swap(curA, curB);
        }

        int gap = lengthA - lengthB;
        while (gap--)
        {
            curA = curA->next;
        }

        while (curA != nullptr)
        {
            if (curA == curB)
            {
                return curA;
            }
            curA = curA->next;
            curB = curB->next;
        }
        return nullptr;
    }
};

环形链表II(142)

题目地址

给定一个链表的头节点 head ，返回链表开始入环的第一个节点。如果链表无环，则返回 null。

如果链表中有某个节点，可以通过连续跟踪 next 指针再次到达，则链表中存在环。为了表示给定链表中的环，评测系统内部使用整数 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。注意：pos 不作为参数进行传递，仅仅是为了标识链表的实际情况。

不允许修改链表。

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

示例 2：
输入：head = [1,2], pos = 0
输出：返回索引为 0 的链表节点
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

示例 3：
输入：head = [1], pos = -1
输出：返回 null
解释：链表中没有环。

思路

设一个快指针，一个慢指针，快指针一次走两个结点，慢指针一次走一个结点，快指针总会在圈内追上慢指针（相当于套圈了，但是至于是套了几圈并不重要），从头结点出发一个指针，从相遇节点也出发一个指针，这两个指针每次只走一个节点，那么当这两个指针相遇的时候就是环形入口的节点。

代码

class Solution
{
public:
    ListNode *detectCycle(ListNode *head)
    {
        ListNode *slow = head;
        ListNode *fast = head;

        while (fast != nullptr && fast->next != nullptr)
        {
            fast = fast->next->next;  //一次走两步
            slow = slow->next;  //一次走一步

            if (fast == slow)  //相遇
            {
                ListNode *index1 = head;
                ListNode *index2 = fast;
                while (index1 != index2)  //从头指针和相遇指针都走一步，相遇的就是环形入口
                {
                    index1 = index1->next;
                    index2 = index2->next;
                }
                return index1;
            }
        }
        return nullptr;
    }
};

LeetCode链表篇

链表基础

经典例题

移除链表元素(203)

思路

设计链表(707)

思路

反转列表(206)

思路

两两交换链表中的节点(24)

思路

删除链表的倒数第N个节点(19)

思路

链表相交(160)

思路

环形链表II(142)

思路