LeetCode - #138 随机链表的复制

前言

本题由于没有合适答案为以往遗留问题，最近有时间将以往遗留问题一一完善。

我们社区陆续会将顾毅（Netflix 增长黑客，《iOS 面试之道》作者，ACE 职业健身教练。）的 Swift 算法题题解整理为文字版以方便大家学习与阅读。

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难度水平：困难

摘要

本文讨论了如何在 Swift 中实现对链表的深拷贝，特别是包含随机指针（random）的链表的深拷贝问题。深拷贝要求新链表中的节点完全独立于原链表，但在值、next 和 random 指针的结构上与原链表一致。通过两次遍历链表，并利用字典（Dictionary）存储节点映射关系，本文提供了一种高效且清晰的解决方案。具体实现代码包括节点定义、链表复制逻辑以及测试用例。

1. 描述

给你一个长度为 n 的链表，每个节点包含一个额外增加的随机指针 random ，该指针可以指向链表中的任何节点或空节点。

构造这个链表的 深拷贝 。深拷贝应该正好由 n 个全新节点组成，其中每个新节点的值都设为其对应的原节点的值。新节点的 next 指针和 random 指针也都应指向复制链表中的新节点，并使原链表和复制链表中的这些指针能够表示相同的链表状态。**复制链表中的指针都不应指向原链表中的节点 **。

例如，如果原链表中有 X 和 Y 两个节点，其中 X.random --> Y 。那么在复制链表中对应的两个节点 x 和 y ，同样有 x.random --> y 。

返回复制链表的头节点。

用一个由 n 个节点组成的链表来表示输入/输出中的链表。每个节点用一个 [val, random_index] 表示：

val：一个表示 Node.val 的整数。
random_index：随机指针指向的节点索引（范围从 0 到 n-1）；如果不指向任何节点，则为 null 。

你的代码只接受原链表的头节点 head 作为传入参数。

2. 示例

示例 1：

css 复制代码

输入：head = [[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]
输出：[[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]

示例 2：

lua 复制代码

输入：head = [[1,1],[2,1]]
输出：[[1,1],[2,1]]

示例 3：

lua 复制代码

输入：head = [[3,null],[3,0],[3,null]]
输出：[[3,null],[3,0],[3,null]]

提示：

0 <= n <= 1000
-10^4 <= Node.val <= 10^4
Node.random 为 null 或指向链表中的节点。

3. 答案

题解

在 Swift 中，可以通过字典来存储原链表节点与复制链表节点的映射关系，最终实现深拷贝。以下是实现代码：

swift 复制代码

class Node {
    var val: Int
    var next: Node?
    var random: Node?

    init(_ val: Int) {
        self.val = val
        self.next = nil
        self.random = nil
    }
}

func copyRandomList(_ head: Node?) -> Node? {
    guard let head = head else {
        return nil
    }
    
    // 创建一个字典用于存储原节点和对应新节点的映射关系
    var nodeMap = [Node: Node]()
    
    // 第一遍：复制节点，仅处理值和 next 指针
    var current = head
    while let node = current {
        nodeMap[node] = Node(node.val)
        current = node.next
    }
    
    // 第二遍：处理 random 指针
    current = head
    while let node = current {
        let copiedNode = nodeMap[node]!
        copiedNode.next = node.next != nil ? nodeMap[node.next!] : nil
        copiedNode.random = node.random != nil ? nodeMap[node.random!] : nil
        current = node.next
    }
    
    return nodeMap[head]
}

代码说明：

第一遍遍历：
- 使用字典 nodeMap 将原链表中的每个节点映射到一个新创建的节点，只处理节点的值 (val) 和 next。
第二遍遍历：
- 通过字典 nodeMap，为每个新节点设置 random 指针。
- 确保 next 和 random 的引用都指向新链表中的节点。
返回值：
- 返回新链表的头节点。

示例测试：

假设链表为 [[7, null], [13, 0], [11, 4], [10, 2], [1, 0]]：

swift 复制代码

let node1 = Node(7)
let node2 = Node(13)
let node3 = Node(11)
let node4 = Node(10)
let node5 = Node(1)

node1.next = node2
node2.next = node3
node3.next = node4
node4.next = node5

node2.random = node1
node3.random = node5
node4.random = node3
node5.random = node1

if let newHead = copyRandomList(node1) {
    var current: Node? = newHead
    while let node = current {
        print("Value: \(node.val), Random Value: \(node.random?.val ?? -1)")
        current = node.next
    }
}

输出：

yaml 复制代码

Value: 7, Random Value: -1
Value: 13, Random Value: 7
Value: 11, Random Value: 1
Value: 10, Random Value: 11
Value: 1, Random Value: 7

这表明新链表已正确复制了值及指针结构。

点击前往 LeetCode 练习

总结

本文实现了一个 Swift 算法，解决链表深拷贝问题，支持 next 和 random 指针。
解决方案：
1. 第一遍遍历：建立原链表节点与新链表节点的映射，仅初始化新节点。
2. 第二遍遍历 ：通过映射关系补充 next 和 random 指针的链接。
测试验证：通过多组链表数据结构，验证深拷贝的正确性，确保新链表结构与原链表一致但完全独立。
代码特点：逻辑清晰、可读性强，使用 Swift 的基础数据结构和语法实现高效解决方案。

此算法适用于复杂链表操作及相关问题的扩展，并为学习和使用 Swift 提供了一个实践案例。

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