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

乌龟和兔子的另一种解决方案,不太好,因为我暂时改变了列表:

这个想法是遍历列表,并在执行过程中反转它。然后,当你第一次到达一个已经被访问过的节点时,它的next指针将指向“向后”,导致迭代再次朝第一个方向进行,并在那里终止。

Node prev = null;
Node cur = first;
while (cur != null) {
    Node next = cur.next;
    cur.next = prev;
    prev = cur;
    cur = next;
}
boolean hasCycle = prev == first && first != null && first.next != null;

// reconstruct the list
cur = prev;
prev = null;
while (cur != null) {
    Node next = cur.next;
    cur.next = prev;
    prev = cur;
    cur = next;
}

return hasCycle;

测试代码:

static void assertSameOrder(Node[] nodes) {
    for (int i = 0; i < nodes.length - 1; i++) {
        assert nodes[i].next == nodes[i + 1];
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Node[] nodes = new Node[100];
    for (int i = 0; i < nodes.length; i++) {
        nodes[i] = new Node();
    }
    for (int i = 0; i < nodes.length - 1; i++) {
        nodes[i].next = nodes[i + 1];
    }
    Node first = nodes[0];
    Node max = nodes[nodes.length - 1];

    max.next = null;
    assert !hasCycle(first);
    assertSameOrder(nodes);
    max.next = first;
    assert hasCycle(first);
    assertSameOrder(nodes);
    max.next = max;
    assert hasCycle(first);
    assertSameOrder(nodes);
    max.next = nodes[50];
    assert hasCycle(first);
    assertSameOrder(nodes);
}

其他回答

算法

public static boolean hasCycle (LinkedList<Node> list)
{
    HashSet<Node> visited = new HashSet<Node>();

    for (Node n : list)
    {
        visited.add(n);

        if (visited.contains(n.next))
        {
            return true;
        }
    }

    return false;
}

复杂性

Time ~ O(n)
Space ~ O(n)

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;
        ....
    }

}

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。)

我不确定这个答案是否适用于Java,但我仍然认为它属于这里:

当我们在现代体系结构中使用指针时,我们可以期望它们是CPU字对齐的。对于64位体系结构,这意味着指针的前3位始终为零。这让我们可以使用这个内存来标记我们已经见过的指针,通过对它们的第一个比特写入1。

如果我们遇到一个指针,它的第一个位已经写了1,那么我们已经成功地找到了一个循环,之后我们需要再次遍历结构,并将这些位屏蔽掉。完成了!

这种方法被称为指针标记,它在低级编程中被过度使用,例如Haskell在一些优化中使用它。

下面的方法可能不是最好的——它是O(n²)。然而,它应该有助于完成工作(最终)。

count_of_elements_so_far = 0;
for (each element in linked list)
{
    search for current element in first <count_of_elements_so_far>
    if found, then you have a loop
    else,count_of_elements_so_far++;
}