链表中环的问题

Leetcode 141. Linked List Cycle 链表是否有环

两个指针一个一步一步的走,一个两步两步的走,相遇则就是有环

public class Solution {
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        ListNode temp1 = head,temp2 = head;
        while(temp1 != null){
            temp2 = temp2.next;
            if(temp1.next == null) return false;
            temp1 = temp1.next.next;
            if(temp1 == temp2) return true;
        }
        return false;
    }
}


走两步的temp2和走一步temp1的两个指针相遇了之后,重新定义temp = head,temp走一步,temp1走一步,t他们两个相遇的时候就是环的入口,证明如下:
Leetcode 142. Linked List Cycle II 找到环的入口

设temp1和temp2相遇一共走了t次,那么temp1走过的路程为t,temp2走过的路程为2t,设换长为l,则有2t-t = nl,即t= nl。设从链表头节点到链表环入口节点的长度为a,从头节点到相遇的节点的距离为d,则有t = a+d +ml(可能temp1也绕环了),根据上面的t=nl可知a+d = l(a+d只能是一倍的环长)


public class Solution {
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
        ListNode temp1 = head,temp2 = head;
        while(temp1 != null && temp1 .next != null){
            temp1 = temp1.next.next;
            temp2 = temp2.next;
            if(temp1 == temp2){
              temp1 = head;
              while(temp1 != temp2){
                  temp1 = temp1.next;
                  temp2 = temp2.next;
              }
              return temp1;
            }
        }
        return null;
    }
}


<think>首先,用户的问题是:“我想查找链表中环的检测方法 请问链表中环的检测方法”,这直接询问链表中环的检测方法。我需要基于提供的参考引用给出准确、清晰的回答。 参考引用提供了多种方法: - 引用[1]提到快慢指针法(也称为弗洛伊德判圈算法)。 - 引用[2]讨论了哈希表法和快慢指针法。 - 引用[3]描述了快慢指针法和足迹法(使用哈希表记录节点)。 - 引用[4]使用了哈希表记录访问过的节点。 - 引用[5]详细描述了快慢指针法的步骤。 关键方法是: 1. **快慢指针法(Floyd's Cycle-Finding Algorithm)**:使用两个指针,一个慢指针每次移动一步,一个快指针每次移动两步。如果链表中存在环,快指针最终会追上慢指针(相遇)。 2. **哈希表法(足迹法)**:遍历链表,记录每个访问过的节点。如果某个节点被访问两次,则存在环。 我需要确保回答符合系统级指令: - 使用$...$格式表示行内数学表达式。 - 独立公式使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在引用段落末尾自然地添加引用标识,如[^1]。 回答结构: - 逐步解释方法,确保清晰。 - 引用相关部分。 - 最后生成相关问题。 大纲回答: 1. **介绍**:简要解释链表环检测的重要性。 2. **详细方法**: - **快慢指针法**:描述步骤、原理、时间和空间复杂度(O(n)时间,O(1)空间)。 - **哈希表法**:描述步骤、原理、时间和空间复杂度(O(n)时间,O(n)空间)。 3. **比较方法**:讨论优缺点,推荐快慢指针法作为高效方法。 4. **生成相关问题**:基于主题。 生成相关问题: - 系统指令要求生成相关问题。示例中提供了相关问题,所以我需要创建类似的问题。 - 可能的问题: 1. 如何找到环的入口节点? 2. 哈希表法和快慢指针法哪个更好? 3. 快慢指针法为什么能检测环? 4. 环检测在实际应用中的例子? 5. 如何处理链表中的环以避免无限循环? 确保回答真实可靠: - 基于引用内容,避免添加虚假信息。 - 引用标识:[^1]到[^5]对应提供的引用。 数学表达式: - 在检测方法中,可能不需要复杂数学,但如果有速度差等概念,可以添加。 - 例如,在快慢指针中,可以提到相对速度:快指针每次比慢指针多移一步,所以如果环存在,它们会相遇。 - 使用$...$格式:例如,$ \text{快指针速度} = 2 \times \text{慢指针速度} $ 。 最终回答结构: - 开始回答用户问题。 - 解释方法。 - 结束时添加相关问题。 </think>### 链表中环的检测方法 链表中环的检测是算法中的经典问题,主要用于判断链表是否存在循环结构(即某个节点指向之前的节点,形成一个环)。检测环的方法有多种,其中最常见且高效的是 **快慢指针法**,还有 **哈希表法**(足迹法)。以下我将逐步解释这些方法,确保回答基于可靠的引用信息。 #### 1. **快慢指针法(Floyd's Cycle-Finding Algorithm)** 快慢指针法是最优解法,时间复杂度为 $O(n)$,空间复杂度为 $O(1)$,因为它不需要额外存储空间。原理是利用两个指针以不同速度遍历链表:慢指针每次移动一步,快指针每次移动两步。如果链表中存在环,快指针最终会追上慢指针(相遇),从而检测到环;如果链表无环,快指针会先到达尾部(null)。 **步骤详解:** - 初始化两个指针:慢指针 `slow` 指向链表头部,快指针 `fast` 也指向头部(或头部下一个节点,实现细节略有不同)。 - 遍历链表: - `slow` 每次移动一步:$ \text{slow} = \text{slow}.\text{next} $。 - `fast` 每次移动两步:$ \text{fast} = \text{fast}.\text{next}.\text{next} $(需要检查 `fast.next` 是否为 null 以避免空指针)。 - 终止条件: - 如果 `fast` 或 `fast.next` 为 null,说明链表无环。 - 如果 `fast == slow`(指针相遇),说明存在环。 **为什么有效?** - 数学原理:设链表无环部分长度为 $L$,环长度为 $C$。快指针速度是慢指针的两倍($v_{\text{fast}} = 2 \times v_{\text{slow}}$),相对速度为 $v_{\text{rel}} = 1$ 步/迭代。相遇时,慢指针移动 $S$ 步,则快指针移动 $2S$ 步。相遇点必然在环内,且满足 $S \mod C = (2S - L) \mod C$(简化后证明相遇)。[^1][^5] 示例伪代码(Java风格,基于引用[3][5]): ```java public boolean hasCycle(ListNode head) { if (head == null || head.next == null) { return false; // 链表为空或只有一个节点,无环 } ListNode slow = head; ListNode fast = head.next; // 或 fast = head,取决于初始化 while (fast != null && fast.next != null) { if (fast == slow) { return true; // 指针相遇,存在环 } slow = slow.next; // 慢指针每次移动一步 fast = fast.next.next; // 快指针每次移动两步 } return false; // 快指针到达尾部,无环 } ``` **优点**:空间效率高,无需额外存储;适用于大规模链表。 **缺点**:不能直接找到环入口(需额外步骤)。[^1][^5] #### 2. **哈希表法(足迹法)** 哈希表法通过记录访问过的节点来检测重复,时间复杂度为 $O(n)$,空间复杂度为 $O(n)$(需要哈希表存储节点)。原理是遍历链表时,将每个节点存储到哈希表中;如果某个节点被重复访问,则存在环。 **步骤详解:** - 初始化一个哈希表(如 `HashSet`)。 - 遍历链表: - 检查当前节点是否已在哈希表中:若是,则存在环。 - 否则,将节点添加到哈希表。 - 如果遍历完链表(指针为 null),则无环。 示例伪代码(Java风格,基于引用[4][3]): ```java public boolean hasCycle(ListNode head) { if (head == null) { return false; } Set<ListNode> visited = new HashSet<>(); ListNode current = head; while (current != null) { if (!visited.add(current)) { // 添加失败表示节点已存在 return true; // 重复访问,存在环 } current = current.next; } return false; // 遍历结束,无环 } ``` **优点**:实现简单,易于理解;能直接检测重复节点。 **缺点**:空间开销大,可能因链表长度导致内存不足;不适合内存受限的场景。[^2][^4] #### 方法比较与推荐 - **时间复杂度**:两种方法都为 $O(n)$,但哈希表法在平均情况下可能因哈希冲突略慢。 - **空间复杂度**:快慢指针法 $O(1)$ 优于哈希表法 $O(n)$。 - **推荐场景**:快慢指针法是首选高效方法,尤其在实际应用中(如操作系统或数据库);哈希表法适合小规模链表或作为备选。[^1][^5] - **扩展**:快慢指针法不仅能检测环,还能结合其他技巧找到环入口节点(从头部和相遇点同时移动两个步长相同的指针)。[^1] 如果您需要代码实现(如 Python 或 C++)或更多细节,请告知!
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