[LeetCode] 每日一题 July 21~31

July 21 - 剑指 Offer 52. 两个链表的第一个公共节点；
July 22 - 138. 复制带随机指针的链表；

July 21 - 剑指 Offer 52. 两个链表的第一个公共节点

描述

输入两个链表，找出它们的第一个公共节点。

样例

示例1：

1
2
3

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 = 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。

思路

双指针法

使用双指针的方法，可以将空间复杂度降至 O(1)。

只有当链表 headA 和 headB 都不为空时，两个链表才可能相交。因此首先判断链表 headA 和 headB 是否为空，如果其中至少有一个链表为空，则两个链表一定不相交，返回 null。

当链表 headA 和 headB 都不为空时，创建两个指针 pA 和 pB，初始时分别指向两个链表的头节点 headA 和 headB，然后将两个指针依次遍历两个链表的每个节点。具体做法如下：

每步操作需要同时更新指针 pA 和 pB。

如果指针 pA 不为空，则将指针 pA 移到下一个节点；如果指针 pB 不为空，则将指针 pB 移到下一个节点。

如果指针 pA 为空，则将指针 pA 移到链表 headB 的头节点；如果指针 pB 为空，则将指针 pB 移到链表 headA 的头节点。

当指针 pA 和 pB 指向同一个节点或者都为空时，返回它们指向的节点或者 null。

下面提供双指针方法的正确性证明。考虑两种情况，第一种情况是两个链表相交，第二种情况是两个链表不相交。

情况一：两个链表相交

链表 headA 和 headB 的长度分别是 m 和 n。假设链表 headA 的不相交部分有 a 个节点，链表 headB 的不相交部分有 b 个节点，两个链表相交的部分有 c 个节点，则有 a+c=m，b+c=n。

如果 a=b，则两个指针会同时到达两个链表的第一个公共节点，此时返回两个链表的第一个公共节点；

如果 a!=b，则指针 pA 会遍历完链表 headA，指针 pB 会遍历完链表 headB，两个指针不会同时到达链表的尾节点，然后指针 pA 移到链表 headB 的头节点，指针 pB 移到链表 headA 的头节点，然后两个指针继续移动，在指针 pA 移动了 a+c+b 次、指针 pB 移动了 b+c+a 次之后，两个指针会同时到达两个链表的第一个公共节点，该节点也是两个指针第一次同时指向的节点，此时返回两个链表的第一个公共节点。

情况二：两个链表不相交

链表 headA 和 headB 的长度分别是 m 和 n。考虑当 m=n 和 m!=n 时，两个指针分别会如何移动：

如果 m=n，则两个指针会同时到达两个链表的尾节点，然后同时变成空值 null，此时返回 null；

如果 m!=n，则由于两个链表没有公共节点，两个指针也不会同时到达两个链表的尾节点，因此两个指针都会遍历完两个链表，在指针 pA 移动了 m+n 次、指针 pB 移动了 n+m 次之后，两个指针会同时变成空值 null，此时返回 null。

代码

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode *getIntersectionNode(ListNode *headA, ListNode *headB) {
        if(headA == NULL || headB == NULL){
            return NULL;
        }else{
            ListNode *pa = headA, *pb = headB;
            while(pa!=pb){
                pa = pa == NULL?headB:pa->next;
                pb = pb == NULL?headA:pb->next;
            }
            return pa;
        }
    }
};

July 22 - 138. 复制带随机指针的链表

描述

给你一个长度为 n 的链表，每个节点包含一个额外增加的随机指针 random ，该指针可以指向链表中的任何节点或空节点。

构造这个链表的深拷贝。深拷贝应该正好由 n 个全新节点组成，其中每个新节点的值都设为其对应的原节点的值。新节点的 next 指针和 random 指针也都应指向复制链表中的新节点，并使原链表和复制链表中的这些指针能够表示相同的链表状态。复制链表中的指针都不应指向原链表中的节点。

例如，如果原链表中有 X 和 Y 两个节点，其中 X.random –> Y 。那么在复制链表中对应的两个节点 x 和 y ，同样有 x.random –> y 。

返回复制链表的头节点。

用一个由 n 个节点组成的链表来表示输入/输出中的链表。每个节点用一个 [val, random_index] 表示：

val：一个表示 Node.val 的整数。
random_index：随机指针指向的节点索引（范围从 0 到 n-1）；如果不指向任何节点，则为 null 。

你的代码只接受原链表的头节点 head 作为传入参数。

样例

示例1：

1 2	`输入：head = [[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]] 输出：[[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]`

示例2：

1 2	`输入：head = [[1,1],[2,1]] 输出：[[1,1],[2,1]]`

示例3：

1 2	`输入：head = [[3,null],[3,0],[3,null]] 输出：[[3,null],[3,0],[3,null]]`

示例4：

1
2
3

输入：head = []
输出：[]
解释：给定的链表为空（空指针），因此返回 null。

思路

方法一：回溯 + 哈希表

本题要求我们对一个特殊的链表进行深拷贝。如果是普通链表，我们可以直接按照遍历的顺序创建链表节点。而本题中因为随机指针的存在，当我们拷贝节点时，「当前节点的随机指针指向的节点」可能还没创建，因此我们需要变换思路。一个可行方案是，我们利用回溯的方式，让每个节点的拷贝操作相互独立。对于当前节点，我们首先要进行拷贝，然后我们进行「当前节点的后继节点」和「当前节点的随机指针指向的节点」拷贝，拷贝完成后将创建的新节点的指针返回，即可完成当前节点的两指针的赋值。

具体地，我们用哈希表记录每一个节点对应新节点的创建情况。遍历该链表的过程中，我们检查「当前节点的后继节点」和「当前节点的随机指针指向的节点」的创建情况。如果这两个节点中的任何一个节点的新节点没有被创建，我们都立刻递归地进行创建。当我们拷贝完成，回溯到当前层时，我们即可完成当前节点的指针赋值。注意一个节点可能被多个其他节点指向，因此我们可能递归地多次尝试拷贝某个节点，为了防止重复拷贝，我们需要首先检查当前节点是否被拷贝过，如果已经拷贝过，我们可以直接从哈希表中取出拷贝后的节点的指针并返回即可。

在实际代码中，我们需要特别判断给定节点为空节点的情况。

时间复杂度：O(n)，其中 n 是链表的长度。对于每个节点，我们至多访问其「后继节点」和「随机指针指向的节点」各一次，均摊每个点至多被访问两次。

空间复杂度：O(n)，其中 n 是链表的长度。为哈希表的空间开销。

方法二：map

第一轮遍历构建旧链表和新链表的一一映射

第二轮遍历根据旧链表的next和random信息，补充新链表的next和random信息

时间复杂度：O(n)，空间复杂度：O(n)

代码

//方法一：回溯 + 哈希表
//执行用时8ms，内存消耗11.4MB
/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/
class Solution {
public:
    unordered_map<Node*,Node*>map;
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        if(head == NULL){
            return NULL;
        }
        if(!map.count(head)){
            Node *newHead = new Node(head->val);
            map[head] = newHead;
            newHead->next = copyRandomList(head->next);
            newHead->random = copyRandomList(head->random);
        }
        return map[head];        
    }
};

//方法二：map
//执行用时8ms，内存消耗11.1MB
class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        if(head == NULL){
            return NULL;
        }
        Node *cur = head;
        unordered_map<Node*,Node*> map;
        while(cur!=NULL){
            map[cur] = new Node(cur->val);
            cur = cur->next;
        }
        cur=head;
        while(cur!=NULL){
            map[cur]->next = map[cur->next];
            map[cur]->random = map[cur->random];
            cur=cur->next;
        }
        return map[head];
    }
};

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