代码随想录算法训练营第三天| 链表理论基础、203.移除链表元素、707.设计链表、206.反转链表

链表理论基础

文档讲解：关于链表，你该了解这些！
视频讲解：无
目标：理解链表基础，以及链表和数组区别
状态：😸

链表要点

链表中存在若干节点，每一个节点由数据和指针组成，通过指针将其串联成线性结构。

链表有一个入口节点，我们把它叫做头节点head，一般来说，头节点中不含有数据，它作为一个指示符指向链表中含有数据的第一个节点。

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注意，在其他情况下，头节点可能就是链表的第一个节点，比如下面的题目

链表的几种类型：

单链表：一个指针域，一个数据域

双链表：两个指针域（分别指向前置和后继节点），一个数据域

循环链表：首尾相连的链表，可以是单链表也可以是双链表

存储方式：

数组在内存中连续存储，链表在内存中散列存储，有效的利用了内存中的碎片化空间。学过操作系统的话，可能会知道fragment这个名词，意思就是碎片的意思。

C++相关

链表的定义

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//单链表
struct ListNode {
	ElemType data; // 节点存储的元素
	ListNode *next; // 指向下一个节点的指针
	// 构造函数
	ListNode(ElemType data) : data(data), next(nullptr) {}
};

使用示例：ListNode *head = new ListNode(null);

注意：在c++中，当删除元素时需及时释放内存空间，delete tmp。

203.移除链表元素

题目链接：203.移除链表元素
文档讲解：203.移除链表元素
视频讲解：手把手带你学会操作链表 | LeetCode：203.移除链表元素
目标：理解 虚拟头结点的使用技巧，这个对链表题目很重要。
状态：刚开始对题目中头节点的定义没理解清楚

学习前的想法

该题需要删除链表中所有值等于val的节点。

看到这一题，我的第一个想法是使用快慢指针，即定义 快指针fast和 慢指针slow，始终保持fast = slow + 1，并使用快指针遍历链表。

需要注意，由于第一个节点涉及到了链表的头节点问题，需要单独进行一个判断，即如果头节点指向的位置的值为val，则直接操作头节点，然后再进行上述快慢指针操作。

尝试写出代码：

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class Solution {
public:
    ListNode* removeElements(ListNode* head, int val) {
        if(head == nullptr) return head;

        head = head->next;

        while(head->val == val) head = head->next;

        ListNode *slow = head;
        ListNode *fast = slow->next;

        while(fast != nullptr && slow != nullptr) {
            if(fast->val == val) {
                slow->next = fast->next;
                fast = slow->next; 
            }
            slow = slow->next;
            if(fast != nullptr) fast = slow->next;
        } 
        return head;
    }
};

以上代码为错误代码runtime error: member access within null pointer of type 'ListNode'。

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似乎对头指针的理解有些误会，导致代码持续报错

学习后的想法

移除头节点和移除其他节点的不一样，需要做一个判断。

和我上面想的一样，但是我的快慢指针的想法太冗余了，只需要额外声明一个指针即可实现上述操作。

2024/2/23
在卡哥的视频中，头节点似乎是指链表的第一个节点，包含有数值。
之前我理解的是头节点不包含数值，而是指向链表的第一个节点

使用虚拟头节点：

首先实例化一个虚拟头节点，让其指向原来链表的head。

定义临时指针指向虚拟头节点，用以遍历整个链表。

这样可以统一化原始链表中所有节点的操作，不需要再向上面一样判断指针指向的是否是头节点。

实现

原链表删除

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while(head != NULL && head->val = val) head = head->next;

cur = head;
while(cur != null && cur->next != null) {
	if(cur->next->val == val) cur->next = cur->next->next;
	else cur = cur->next;
}

return head;

虚拟头节点

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// 定义虚拟头节点
ListNode *dummyHead = new ListNode();
dummyHead->next = head;
ListNode *cur = dummyHead; // 声明指针遍历链表

while(cur->next != null) {
	if(cur->next->val == val) {
		cur->next = cur->next->next;
	} else {
		cur = cur->next;
	}
}

return dummyHead->next;

707.设计链表

题目链接：707.设计链表
文档讲解：707.设计链表
视频讲解：帮你把链表操作学个通透！LeetCode：707.设计链表
目标：链表综合操作
状态：C++的语法不是很熟悉，具体的函数写法基本清楚

学习前的想法

上一题中学习了虚拟头节点的使用，卡哥对这一题的建议也是使用虚拟头节点。因此我将会直接考虑虚拟头节点的思路，也会尝试去使用虚拟头节点解决该问题。

根据题目，需要使用到虚拟头节点的地方应该只有void addAtIndex(int index, int val)和void deleteAtIndex(int index)

学习后的想法

其实这一题没什么好说的，等以后有了新想法再说吧。（还是得熟悉一下C++类的语法）

实现

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class MyLinkedList {
public:
    // 定义链表节点结构体
    struct LinkedNode {
        int val;
        LinkedNode* next;
        LinkedNode(int val):val(val), next(nullptr){}
    };

    // 初始化链表
    MyLinkedList() {
        _dummyHead = new LinkedNode(0); // 这里定义的头结点 是一个虚拟头结点，而不是真正的链表头结点
        _size = 0;
    }

    // 获取到第index个节点数值，如果index是非法数值直接返回-1， 注意index是从0开始的，第0个节点就是头结点
    int get(int index) {
        if (index > (_size - 1) || index < 0) {
            return -1;
        }
        LinkedNode* cur = _dummyHead->next;
        while(index--){ // 如果--index 就会陷入死循环
            cur = cur->next;
        }
        return cur->val;
    }

    // 在链表最前面插入一个节点，插入完成后，新插入的节点为链表的新的头结点
    void addAtHead(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        newNode->next = _dummyHead->next;
        _dummyHead->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 在链表最后面添加一个节点
    void addAtTail(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(cur->next != nullptr){
            cur = cur->next;
        }
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 在第index个节点之前插入一个新节点，例如index为0，那么新插入的节点为链表的新头节点。
    // 如果index 等于链表的长度，则说明是新插入的节点为链表的尾结点
    // 如果index大于链表的长度，则返回空
    // 如果index小于0，则在头部插入节点
    void addAtIndex(int index, int val) {

        if(index > _size) return;
        if(index < 0) index = 0;        
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(index--) {
            cur = cur->next;
        }
        newNode->next = cur->next;
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 删除第index个节点，如果index 大于等于链表的长度，直接return，注意index是从0开始的
    void deleteAtIndex(int index) {
        if (index >= _size || index < 0) {
            return;
        }
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(index--) {
            cur = cur ->next;
        }
        LinkedNode* tmp = cur->next;
        cur->next = cur->next->next;
        delete tmp;
        //delete命令指示释放了tmp指针原本所指的那部分内存，
        //被delete后的指针tmp的值（地址）并非就是NULL，而是随机值。也就是被delete后，
        //如果不再加上一句tmp=nullptr,tmp会成为乱指的野指针
        //如果之后的程序不小心使用了tmp，会指向难以预想的内存空间
        tmp=nullptr;
        _size--;
    }

    // 打印链表
    void printLinkedList() {
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while (cur->next != nullptr) {
            cout << cur->next->val << " ";
            cur = cur->next;
        }
        cout << endl;
    }
private:
    int _size;
    LinkedNode* _dummyHead;

};

206.反转链表

题目链接：206.反转链表
文档讲解：206.反转链表
视频讲解：206.反转链表
目标：理解反转链表
状态：双指针法的思路不是很难，重点是递归的逻辑问题

学习前的想法

顾名思义，反转链表，将一个单链表反转。

我的想法是声明一个空节点，让其指向头节点，声明一个指针遍历链表，将遍历的值存入空节点，并让其指向空节点的下一节点，空节点则指向这个节点。

思路似乎没有什么问题，尝试着取实现代码：

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/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
 *     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        ListNode *node = new ListNode(0, head);
        ListNode *cur = head->next;
        head->next = nullptr;
        while(cur != nullptr) {
            cur->next = node->next;
            node->next = cur;
        }

        return node->next;
    }
};

2024/2/23
代码超时，不知道原因。。。果断放弃，去学习视频。

学习后的想法

双指针法：

首先定义一个cur指针，指向头节点，再定义一个pre指针，初始化为null。

接着开始反转，首先需要将cur->next使用tmp指针保存一下，因为一会反转之后，cur和它的后一个节点之间的联系就断开了。反转一次之后，需要将pre和cur都向后移动一位。

循环以上过程，当cur指针为空时，说明链表反转完毕，此时pre指向链表的新的头节点，返回pre即可。

递归：

递归法实际上思路和双指针法是一致的，只是采用了递归的实现方式。

实现

双指针法

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cur = head;
pre = nullptr;

while(cur != nullptr) {
	tmp = cur->next;
	cur->next = pre;
	pre = cur;
	cur = tmp;
}

return pre;

递归法（建议参考上述双指针法思路完成）

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

reverseList(head) {
	return reverse(NULL, head);
}

收获与学习时长

学习时长： 2h 50min

收获

复习了链表基础，以及链表和数组的区别

学习了虚拟头节点的使用

学会了反转链表的双指针法和递归法