算法 系列 双指针

基础数据结构...

Posted by lichao modified on June 17, 2020

快慢指针

快慢指针⼀般都初始化指向链表的头结点 head,前进时快指针 fast 在前,慢指针 slow 在后,巧妙解决⼀些链表中的问题。

判定链表中是否含有环

单链表的特点是每个节点只知道下⼀个节点,所以⼀个指针的话⽆法判断链表中是否含有环的。

经典解法就是⽤两个指针,⼀个跑得快,⼀个跑得慢。如果不含有环,跑得快的那个指针最终会遇到 null,说明链表不含环;如果含有环,快指针最终会超慢指针⼀圈,和慢指针相遇,说明链表含有环。

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boolean hasCycle(ListNode head) {
    ListNode fast, slow;
    fast = slow = head;
    while (fast != null && fast.next != null) {
        fast = fast.next.next;
        slow = slow.next;
        if (fast == slow) return true;
    }
    return false;
}

已知链表中含有环,返回这个环的起始位置

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ListNode detectCycle(ListNode head) {
    ListNode fast, slow;
    fast = slow = head;
    while (fast != null && fast.next != null) {
        fast = fast.next.next;
        slow = slow.next;
        if (fast == slow) break;
    }
    // 上⾯的代码类似 hasCycle 函数
    slow = head;
    while (slow != fast) {
        fast = fast.next;
        slow = slow.next;
    }
    return slow;
}

可以看到,当快慢指针相遇时,让其中任⼀个指针指向头节点,然后让它俩以相同速度前进,再次相遇时所在的节点位置就是环开始的位置。

第⼀次相遇时,假设慢指针 slow ⾛了 k 步,那么快指针 fast ⼀定⾛了 2k 步,也就是说⽐ slow 多⾛了 k 步(也就是环的⻓度)。

algorithm

设相遇点距环的起点的距离为 m,那么环的起点距头结点 head 的距离为 k - m,也就是说如果从 head 前进 k - m 步就能到达环起点。

巧的是,如果从相遇点继续前进 k - m 步,也恰好到达环起点。 algorithm

所以,只要我们把快慢指针中的任⼀个重新指向 head,然后两个指针同速前进,k - m 步后就会相遇,相遇之处就是环的起点了。

寻找链表的中点

可以让快指针⼀次前进两步,慢指针⼀次前进⼀步,当快指针到达链表尽头时,慢指针就处于链表的中间位置。

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    while (fast != null && fast.next != null) {
        fast = fast.next.next;
        slow = slow.next;
    }
    // slow 就在中间位置
    return slow;

当链表的⻓度是奇数时,slow 恰巧停在中点位置;如果⻓度是偶数,slow 最终的位置是中间偏右。

寻找链表中点的⼀个重要作⽤是对链表进⾏归并排序。

回想数组的归并排序:求中点索引递归地把数组⼆分,最后合并两个有序数组。对于链表,合并两个有序链表是很简单的,难点就在于⼆分。

寻找链表的倒数第 k 个元素

使⽤快慢指针,让快指针先⾛ k 步,然后快慢指针开始同速前进。 这样当快指针⾛到链表末尾 null 时,慢指针所在的位置就是倒数第 k 个链表节点(为了简化,假设 k 不会超过链表⻓度):

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    ListNode slow, fast;
    slow = fast = head;
    while (k-- > 0)
        fast = fast.next;
    while (fast != null) {
        slow = slow.next;
        fast = fast.next;
    }
    return slow;

左右指针

左右指针在数组中实际是指两个索引值,⼀般初始化为 left = 0, right = nums.length - 1 。

⼆分查找

两数之和

给定一个已按照升序排列的有序数组,找到两个数使得它们相加之和等于目标值。

只要数组有序,就应该想到双指针技巧。这道题的解法有点类似⼆分查找, 通过调节 left 和 right 可以调整 sum 的⼤⼩:

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int[] twoSum(int[] nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.length - 1;
    while (left < right) {
        int sum = nums[left] + nums[right];
        if (sum == target) {
            // 题⽬要求的索引是从 1 开始的
            return new int[]{left + 1, right + 1};
        } else if (sum < target) {
            left++; // 让 sum ⼤⼀点
        } else if (sum > target) {
            right--; // 让 sum ⼩⼀点
        }
    }
    return new int[]{-1, -1};
}

反转数组

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void reverse(int[] nums) {
    int left = 0;
    int right = nums.length - 1;
    while (left < right) {
        // swap(nums[left], nums[right])
        int temp = nums[left];
        nums[left] = nums[right];
        nums[right] = temp;
        left++; right--;
    }
}

滑动窗口算法