力扣140.快慢指针法求解链表倒数第K个节点

问题描述

给定一个头节点为 head 的链表,用于记录一系列核心肌群训练项目编号,请查找并返回倒数第 cnt 个训练项目编号。

示例 1:

复制代码
输入:head = [2,4,7,8], cnt = 1
输出:8

提示:

  • 1 <= head.length <= 100

  • 0 <= headi <= 100

  • 1 <= cnt <= head.length

问题分析

这是一个经典的链表问题,要求找到链表中倒数第 cnt 个节点。链表的特点是只能顺序访问,不能像数组那样直接通过索引访问。因此,我们需要一种高效的算法来解决这个问题。

解决方案:快慢指针法

算法思路

使用两个指针 fast 和 slow,都初始化为头节点:

  1. 先让 fast 指针向前移动 cnt 步

  2. 然后同时移动 fast 和 slow 指针,直到 fast 到达链表末尾

  3. 此时 slow 指针指向的就是倒数第 cnt 个节点

算法原理

这个算法的巧妙之处在于利用了"距离差"的原理。当 fast 指针先走 cnt 步后,fast 和 slow 之间相隔 cnt 个节点。然后两个指针以相同的速度前进,当 fast 到达链表末尾时,slow 正好落后 fast 指针 cnt 个节点,也就是位于倒数第 cnt 个位置。

代码实现

python 复制代码
class Solution:
    def trainingPlan(self, head: Optional[ListNode], cnt: int) -> Optional[ListNode]:
        # 初始化快慢指针
        fast = slow = head
        
        # 快指针先走cnt步
        while cnt > 0 and fast:
            fast = fast.next
            cnt -= 1
        
        # 同时移动快慢指针,直到快指针到达末尾
        while fast:
            fast = fast.next
            slow = slow.next
        
        return slow

算法复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是链表的长度。我们只需要遍历链表一次。

  • 空间复杂度:O(1),只使用了常数级别的额外空间。

算法详解

示例演示

以链表 2 -> 4 -> 7 -> 8 和 cnt = 2 为例(找倒数第2个节点):

  1. 初始化:fast = slow = 节点2

  2. 快指针先走2步:

    • 第一步:fast = 节点4,cnt = 1

    • 第二步:fast = 节点7,cnt = 0

  3. 同时移动两个指针:

    • fast = 节点8,slow = 节点4

    • fast = None,slow = 节点7

  4. 返回 slow(节点7,值为7)

边界情况处理

  1. cnt等于链表长度 :当 cnt 等于链表长度时,快指针会走到链表末尾(fast = None),慢指针仍指向头节点,正好是倒数第 cnt 个节点。

  2. cnt等于1 :当 cnt = 1 时,找到的是最后一个节点。

  3. 链表只有一个节点 :无论 cnt 是多少(只能是1),都能正确返回该节点。

其他解法对比

解法一:两次遍历法

先遍历链表得到长度 n,然后再遍历到第 n-cnt 个节点。

python

复制代码
class Solution:
    def trainingPlan(self, head: Optional[ListNode], cnt: int) -> Optional[ListNode]:
        # 第一次遍历:计算链表长度
        length = 0
        cur = head
        while cur:
            length += 1
            cur = cur.next
        
        # 第二次遍历:找到第length-cnt个节点
        cur = head
        for _ in range(length - cnt):
            cur = cur.next
        
        return cur

复杂度:时间复杂度 O(2n) = O(n),空间复杂度 O(1)。

解法二:使用栈

遍历链表,将所有节点压入栈中,然后弹出前 cnt 个节点,第 cnt 个弹出的就是目标节点。

python

复制代码
class Solution:
    def trainingPlan(self, head: Optional[ListNode], cnt: int) -> Optional[ListNode]:
        stack = []
        cur = head
        while cur:
            stack.append(cur)
            cur = cur.next
        
        # 弹出前cnt-1个节点
        for _ in range(cnt - 1):
            stack.pop()
        
        return stack.pop()

复杂度:时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(n)。

解法比较

方法 时间复杂度 空间复杂度 优点 缺点
快慢指针法 O(n) O(1) 效率高,空间优 思路需要理解
两次遍历法 O(2n) O(1) 思路简单直接 需要两次遍历
栈方法 O(n) O(n) 思路简单 需要额外空间

实际应用

这个问题在实际开发中有着广泛的应用:

  1. 查找中间节点:类似思路可以找到链表的中间节点

  2. 检测链表环:快慢指针法也可用于检测链表是否有环

  3. 数据库查询优化:在处理链表形式的数据时,类似算法可以提高效率

总结

快慢指针法是解决链表倒数第K个节点问题的最优解,它具有以下优点:

  • 时间复杂度为 O(n),只需遍历一次链表

  • 空间复杂度为 O(1),不需要额外空间

  • 代码简洁,逻辑清晰

掌握这种双指针技巧对于解决链表相关问题非常有帮助,它是算法面试中的常考知识点,也是实际开发中处理链表数据的高效方法。

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