复杂链表的复制

最新推荐文章于 2023-06-16 13:23:16 发布

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本文介绍了一种包含pNext和pSibling指针的复杂链表复制方法。通过三种不同策略实现链表复制，包括O(n²)时间复杂度的方法、利用哈希表优化至O(n)时间和O(n)空间复杂度的方法，以及最终不使用额外空间实现O(n)时间复杂度的高效算法。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

题目：有一个复杂链表，其结点除了有一个pNext指针指向下一个结点外，还有一个pSibling指向链表中的任一结点或者NULL。其结点的定义如下：

struct ComplexListNode
{
    int val;
    ComplexListNode* pNext;
    ComplexListNode* pSibling;
};

下图是一个含有4个结点的该类型复杂链表。

请完成函数ComplexListNode* Clone(ComplexListNode* pHead)，以复制一个复杂链表。
分析：在常见的数据结构上稍加变化，这是一种很新颖的面试题。要在不到一个小时的时间里解决这种类型的题目，我们需要较快的反应能力，对数据结构透彻的理解以及扎实的编程功底。

看到这个问题，我的第一反应是分成两步：第一步是复制原始链表上的每个链表，并用pNext链接起来。第二步，假设原始链表中的某节点N的pSibling指向结点S。由于S的位置在链表上有可能在N的前面也可能在N的后面，所以要定位N的位置我们需要从原始链表的头结点开始找。假设从原始链表的头结点开始经过s步找到结点S。那么在复制链表上结点N的pSibling的S’，离复制链表的头结点的距离也是s。用这种办法我们就能为复制链表上的每个结点设置pSibling了。

对一个含有n个结点的链表，由于定位每个结点的pSibling，都需要从链表头结点开始经过O(n)步才能找到，因此这种方法的总时间复杂度是O(n2)。

由于上述方法的时间主要花费在定位结点的pSibling上面，我们试着在这方面去做优化。我们还是分为两步：第一步仍然是复制原始链表上的每个结点N，并创建N’，然后把这些创建出来的结点链接起来。这里我们对<N，N’>的配对信息放到一个哈希表中。第二步还是设置复制链表上每个结点的pSibling。如果在原始链表中结点N的pSibling指向结点S，那么在复制链表中，对应的N’应该指向S’。由于有了哈希表，我们可以用O(1)的时间根据S找到S’。

第二种方法相当于用空间换时间，以O(n)的空间消耗实现了O(n)的时间效率。

接着我们来换一种思路，在不用辅助空间的情况下实现O(n)的时间效率。第三种方法的第一步仍然是根据原始链表的每个结点N，创建对应的N’。这一次，我们把新创建的每个结点N’链接在原先结点N的后面。代码如下：

//克隆原始链表的每个节点，并将克隆的每个节点连接在原来节点之后
void CloneNodes(ComplexListNode* pHead)
{
    ComplexListNode* pNode = pHead;
    ComplexListNode* pCloned;
    while(pNode!=NULL)
	  {
        pCloned = new ComplexListNode();
		pCloned->val = pNode->val;
        pCloned->pNext = pNode->pNext;
		pCloned->pSibling = NULL;

		pNode->pNext = pCloned;        //将新复制的结点链接在原始结点的后面
		pNode = pCloned->pNext;

     }
}

第二步是设置我们复制出来的链表上的结点的pSibling。假设原始链表上的N的pSibling指向结点S，那么其对应复制出来的N’是N->pNext，同样S’也是S->pNext。这就是我们在上一步中把每个结点复制出来的结点链接在原始结点后面的原因。有了这样的链接方式，我们就能在O(1)中就能找到每个结点的pSibling了。代码如下：

void ConnectSiblingNodes(ComplexListNode* pHead)
{
    ComplexListNode* pNode = pHead;  
    while(pNode != NULL)                 //遍历链表更新随机指针  
    {  
        ComplexListNode *pCloned = pNode->pNext;  
        if(pNode->pSibling != NULL)  
        { 
			//新复制结点的随机指针就是原始结点的随机指针指向的结点的下一个结点  
            pCloned->pSibling = pNode->pSibling->pNext; 
        }  
        pNode = pCloned->pNext;  
    }  
}

第三步是把这个长链表拆分成两个：把奇数位置的结点链接起来就是原始链表，把偶数位置的结点链接出来就是复制出来的链表。要实现这一步，也不是很难的事情。其对应的代码如下：

ComplexListNode* ReconnectNodes(ComplexListNode* pHead)  
{  
    ComplexListNode* pNode = pHead;  
    ComplexListNode* pClonedHead = NULL;  
    ComplexListNode* pClonedNode = NULL;  
    if(pNode != NULL)  
    {  
        pClonedHead = pClonedNode = pNode->pNext;  
        pNode->pNext = pClonedNode->pNext;  
        pNode = pNode->pNext;  
    }  
    while(pNode != NULL)  
    {  
        pClonedNode->pNext = pNode->pNext;   //把偶数位置的结点链接起来就是复制出来的新链表  
        pClonedNode = pClonedNode->pNext;  
        pNode->pNext = pClonedNode->pNext;   //把奇数位置的结点链接起来就是原始链表  
        pNode = pNode->pNext;  
    }  
    return pClonedHead;  
}

我们把上面三步合起来，就是复制链表的完整过程：

ComplexListNode* Clone(ComplexListNode* pHead)  
{  
    CloneNodes( pHead );  
    ConnectSiblingNodes( pHead );  
    return ReconnectNodes( pHead );  
}