假设您在Java中有一个链表结构。它由节点组成:

class Node {
    Node next;
    // some user data
}

每个节点都指向下一个节点,除了最后一个节点,它的next为空。假设有一种可能性,列表可以包含一个循环-即最后的节点,而不是有一个空值,有一个引用到列表中它之前的一个节点。

最好的写作方式是什么

boolean hasLoop(Node first)

如果给定的节点是带有循环的列表的第一个,则返回true,否则返回false ?你怎么能写出一个常数的空间和合理的时间呢?

下面是一个带有循环的列表的图片:


当前回答

如果链表结构实现了java.util.List. list。我们可以使用列表大小来跟踪我们在列表中的位置。

我们可以遍历节点,将当前节点的位置与上一个节点的位置进行比较。如果我们当前的位置超过了上一个位置,我们就检测到列表在某个地方有一个循环。

这种解决方案需要恒定的空间,但随着列表大小的增加,完成所需的时间会线性增加。


class LinkedList implements List {
    Node first;
    int listSize;
    
    @Override
    int size() {
        return listSize;
    }

    [..]

    boolean hasLoop() {
        int lastPosition = size();
        int currentPosition = 1;
        Node next = first;
        while(next != null) {
           if (currentPosition > lastPosition) return true;
           next = next.next;
           currentPosition++;
        }
        return false;
    }
}

或作为一种实用工具:

static boolean hasLoop(int size, Node first) {
    int lastPosition = size;
    int currentPosition = 1;
    Node next = first;
    while(next != null) {
       if (currentPosition > lastPosition) return true;
       next = next.next;
       currentPosition++;
    }
    return false;
}

其他回答

如果允许我们嵌入类Node,我将像下面实现的那样解决这个问题。hasLoop()在O(n)时间内运行,并且只占用计数器的空间。这是不是一个合适的解决方案?或者是否有一种不嵌入Node的方法?(显然,在真正的实现中会有更多的方法,如RemoveNode(Node n)等。)

public class LinkedNodeList {
    Node first;
    Int count;

    LinkedNodeList(){
        first = null;
        count = 0;
    }

    LinkedNodeList(Node n){
        if (n.next != null){
            throw new error("must start with single node!");
        } else {
            first = n;
            count = 1;
        }
    }

    public void addNode(Node n){
        Node lookingAt = first;

        while(lookingAt.next != null){
            lookingAt = lookingAt.next;
        }

        lookingAt.next = n;
        count++;
    }

    public boolean hasLoop(){

        int counter = 0;
        Node lookingAt = first;

        while(lookingAt.next != null){
            counter++;
            if (count < counter){
                return false;
            } else {
               lookingAt = lookingAt.next;
            }
        }

        return true;

    }



    private class Node{
        Node next;
        ....
    }

}

比弗洛伊德的算法好

Richard Brent描述了一种替代周期检测算法,它很像兔子和乌龟(弗洛伊德周期),除了这里的慢节点不移动,但随后会以固定的间隔“传送”到快节点的位置。

该描述可在布伦特的周期检测算法(瞬移海龟)。布伦特声称他的算法比弗洛伊德的循环算法快24%到36%。 O(n)时间复杂度,O(1)空间复杂度。

public static boolean hasLoop(Node root) {
    if (root == null) return false;
    
    Node slow = root, fast = root;
    int taken = 0, limit = 2;
    
    while (fast.next != null) {
        fast = fast.next;
        taken++;
        if (slow == fast) return true;
        
        if (taken == limit) {
            taken = 0;
            limit <<= 1;    // equivalent to limit *= 2;
            slow = fast;    // teleporting the turtle (to the hare's position) 
        }
    }
    return false;
}

下面是检测循环的解决方案。

public boolean hasCycle(ListNode head) {
            ListNode slow =head;
            ListNode fast =head;

            while(fast!=null && fast.next!=null){
                slow = slow.next; // slow pointer only one hop
                fast = fast.next.next; // fast pointer two hops 

                if(slow == fast)    return true; // retrun true if fast meet slow pointer
            }

            return false; // return false if fast pointer stop at end 
        }

乌龟和兔子

看看波拉德的算法。这不是完全相同的问题,但也许你会理解其中的逻辑,并将其应用于链表。

(如果你很懒,你可以看看周期检测——看看关于乌龟和兔子的那部分。)

这只需要线性时间和2个额外的指针。

在Java中:

boolean hasLoop( Node first ) {
    if ( first == null ) return false;

    Node turtle = first;
    Node hare = first;

    while ( hare.next != null && hare.next.next != null ) {
         turtle = turtle.next;
         hare = hare.next.next;

         if ( turtle == hare ) return true;
    }

    return false;
}

(大多数解决方案不会同时检查next和next。接下来是null。此外,因为乌龟总是在后面,你不需要检查它是否为空——兔子已经检查过了。)

 // To detect whether a circular loop exists in a linked list
public boolean findCircularLoop() {
    Node slower, faster;
    slower = head;
    faster = head.next; // start faster one node ahead
    while (true) {

        // if the faster pointer encounters a NULL element
        if (faster == null || faster.next == null)
            return false;
        // if faster pointer ever equals slower or faster's next
        // pointer is ever equal to slower then it's a circular list
        else if (slower == faster || slower == faster.next)
            return true;
        else {
            // advance the pointers
            slower = slower.next;
            faster = faster.next.next;
        }
    }
}