数据结构--关于链表的一些算法问题

Posted 2022-08-04 大扑棱蛾子

单向链表逆序问题

注意这里是单向链表，所以只能从头向尾遍历。

单向链表的逆序主要有以下两种方式。

• 使用栈的先进后出特性，将链表中的数据放入栈中然后再从栈中取出
• 头插法，如果仅有一个元素，那么链表的逆序就是自己。如果有多个元素，顺序取出元素，然后讲后一个放到前一个的前面。

这里我们只讲头插法，头插法的效率是$O(n)$，使用栈是$O(2n)$。两个算法的时间复杂度只有常数级的差异。

头插法如下图所示

思路分析

1. 如果是只有一个节点或者没有节点就什么都不用做
2. 如果多于一个节点，定义一个head变量指向头节点，定义一个node变量指向头结点的下一个节点。
3. 将链表中的最后节点指针last指向头节点，并将其next指针设置为null。这一步其实是非常关键的一步，如果少了这一步会形成循环链表。
4. 开始while循环 while(node != null)
   • 首先定义一个next变量指向node的下一个节点，这个是我们下次遍历需要处理的节点。
   • 让node.next = head，这步相当于把当前遍历的这个节点插入到了头节点之前
   • head = node ，将头节点变更为当前遍历的节点
   • node = next ，将当前节点指向下一个节点，开始新一轮的遍历
5. 链表中的first指向head;

代码实现

实现代码如下：

/**
 * 反转链表
 */
public void reverse() 
    // 如果没有元素或只有一个元素则无需反转。
    if (this.size <= 1) 
        return;
    

    this.last = this.first;
    Node<E> head = this.first;
    // 由于上面的判断，所以这里的next一定是不为空的
    Node<E> node = this.first.next;
    head.next = null;
    while (node != null) 
        // 取出当前元素的下一个元素
        Node<E> next = node.next;
        // 将当前元素的next指向头节点
        node.next = head;
        // 将头节点改为当前元素
        head = node;
        // 开始遍历下一个元素
        node = next;
    
    this.first = head;

代码不多，核心在while循环中，这里一定要想明白。看明白之后一定要写一写，注意这里是自己写，而不是把我写的代码复制到IDE中运行下。
很多人都是“一学就会，一写就废”，就是这个原因，感觉自己看明白了，就认为会了。看明白和写出来是两码事，一定要多写，多练习。

单向链表逆序打印问题

再解决了上面的问题后，这个问题就变得简单了。这个问题有两种方法可以实现，一种是先反转，再打印；一种是采用栈。

先反转再打印会改变原来的数据结构，所以这种方式不推荐。因为使用这种方式需要做两次反转，即 反转 --> 遍历 --> 反转。所以我们采用栈来处理。

这里采用栈来处理，由于代码很简单，所以我们不再做思路分析，直接上代码。

public void reversePrint() 
    if (isEmpty()) 
        return;
    
    if (this.size == 0) 
        System.out.println(this.first.item);
        return;
    
    // 遍历元素并将元素依次入栈
    Stack<E> stack = new Stack<>();
    Node<E> node = this.first;
    while (node != null) 
        stack.push(node.item);
        node = node.next;
    
	// 出栈并打印。
    while (!stack.empty()) 
        System.out.print(stack.pop() + "\\t");
    
    System.out.println();

约瑟夫问题

约瑟夫（Josephus）问题又叫“约瑟夫环”或“丢手绢问题”。
约瑟夫问题是：N个人围成一圈，从第一个开始报数，第M个将被杀掉，最后剩下一个，其余人都将被杀掉。那么这些人被杀掉的顺序是什么。

思路分析

这里我们采用环形链表的方式来处理，假定报数总是从第一个人开始。

第一个人开始报数，然后数到$M$后，这个节点的人出列，然后从下一个人继续开始数。

直到最后一个结束，当链表中只剩下一个人的时候，无论数多少最终都是这个人，所以我们可以不用数直接让这个人出列。

如上图：有5人，每次数3个数。

• 第一轮：3号出列，2号的下一个变成4号
• 第二轮：1号出列，5号的下一个变成了2号
• 第三轮：5号出列，4号的下一个变成了2号
• 第四轮：2号出列，这是后仅剩下4号
• 第五轮：4号出列。

代码实现

/**
 * 约瑟夫问题
 *
 * @author jaune
 * @since 1.0.0
 */
public class Josephus 

    private Node first;
    private Node last;
    private int size;


    /**
     * 指定有多少人，然后根据人数创建环形链表。
     * @param peopleNum 人数
     */
    public Josephus(int peopleNum) 
	    // 初始化环形链表
        for (int i = 1; i <= peopleNum; i++) 
             if (this.first == null) 
                 this.first = new Node(i);
                 this.last = first;
              else 
                 Node node = new Node(i);
                 this.last.next = node;
                 this.last = node;
             
        
        // 最后一个的next指向头结点，形成闭环
        this.last.next = this.first;
        this.size = peopleNum;
    

    public boolean isEmpty() 
        return this.size == 0;
    

    public List<Integer> kill(int num) 
        if (num < 1) 
            throw new RuntimeException("报数的数字必须大于0");
        
        // 保存被杀人的顺序
        List<Integer> killSeq = new ArrayList<>(this.size);
        // 开始遍历
        if (this.size == 1) 
            killSeq.add(this.first.item);
            return  killSeq;
        
        int seq = 0;
        Node node = this.first;
        Node prev = this.last;
        while (true) 
            seq++;
            if (seq == num) 
                // 取出节点
                if (node.equals(this.first)) 
                    this.first = node.next;
                

                // 移除选中的人，并重新形成闭环
                killSeq.add(node.item);
                prev.next = node.next;
                Node next = node.next;
                node.next = null;
                node = next;
                seq = 0;
                this.size--;
                this.list();
                // 只剩最后一个节点了，当只剩下最后一个节点的时候我们就不用在数了，直接取出即可。
                if (prev.equals(node)) 
                    killSeq.add(node.item);
                    this.first = null;
                    this.last = null;
                    this.size = 0;
                    break;
                
             else 
                prev = node;
                node = node.next;
            
        
        return killSeq;
    
	// 打印每次kill后剩余的人
    public void list() 
        if (this.first == null) 
            return;
        
        Node node = this.first;
        do 
            System.out.print(node.item + "\\t");
            node = node.next;
          while (node != null && !node.equals(this.first));
        System.out.println();
    

    private static class Node 
        int item;
        Node next;

        public Node(int item) 
            this.item = item;
        
    

size其实是可以不用维护的，如果不每次kill完之后都打印剩下的人，那么可以删掉list方法，这时候first也是不用维护的，这样程序会简洁很多。