【链表】LC 138.随机链表的复制

文章目录

前言
一、题目
- 1、原题链接
- 2、题目描述
二、个人思路整理
三、知识风暴

前言

本专栏文章为《LeetCode 热题 100》的刷题题解，相关内容如有侵权，立即删除。

一、题目

1、原题链接

138.随机链表的复制

2、题目描述

二、个人思路整理

1、思路分析

思路1：哈希表映射法

具体步骤：

建立映射：使用哈希表unordered_map<Node*, Node*> 维护 原节点 -> 新节点 的一一对应关系。
分步构建：
- 第一轮遍历：仅创建新节点并保存数值（val），同时存入哈希表中，不处理指针指向。
- 第二轮遍历：借助哈希表，通过原节点的指针关系直接设置新节点的指向：
  - 新节点的 next 指向原节点 next 对应的新节点：mp[cur]->next = mp[cur->next]；
  - 新节点的 random 指向原节点 random 对应的新节点：mp[cur]->random = mp[cur->random]。

思路2：节点交织与拆分法

无需额外哈希表，利用原链表自身的 next 指针构造"天然的映射关系"：

复制与拼接：在每个原节点 A A A 后面紧跟插入其对应的复制节点 A ′ A' A′。
- 变换前：A -> B -> C；
- 变换后：A -> A' -> B -> B' -> C -> C'。
构建 random 指针：若原节点 A A A 的 random 指向 C C C（即 cur->random），则复制节点 A ′ A' A′（即 cur->next）的 random 必然指向 C C C 的复制节点 C ′ C' C′（即 cur->random->next）。
拆分链表：将交织在一起的链表分离，恢复原链表结构，同时拼接出全新的深拷贝链表。

2、解题代码

思路1：哈希表映射法

cpp 复制代码

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        if (!head) {
            return nullptr;
        }

        // 用于存储 原节点->新节点 的映射关系
        unordered_map<Node*, Node*> mp;

        // 第一遍遍历：只创建新节点，并建立映射
        Node* cur = head;
        while (cur) {
            mp[cur] = new Node(cur->val);
            cur = cur->next;
        }

        // 第二遍遍历：通过哈希表设置新节点的next和random指针
        cur = head;
        while (cur) {
            // 如果原节点的 next/random 为nullptr，mp[nullptr]默认返回 nullptr
            mp[cur]->next = mp[cur->next];
            mp[cur]->random = mp[cur->random];
            cur = cur->next;
        }
        // 返回头节点对应的新节点
        return mp[head];
    }
};

复杂度分析

时间复杂度： O ( n ) O(n) O(n)，遍历了两遍链表。

空间复杂度： O ( n ) O(n) O(n)，额外维护了一个哈希表 mp。

思路2：节点交织与拆分法

cpp 复制代码

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* next;
    Node* random;
    
    Node(int _val) {
        val = _val;
        next = NULL;
        random = NULL;
    }
};
*/

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        if (!head) {
            return nullptr;
        }

        // 1. 复制每一个节点，并插入到对应原节点之后
        Node* cur = head;
        while (cur) {
            Node* copyNode = new Node(cur->val);
            copyNode->next = cur->next;    // 新节点指向原节点的下一个节点
            cur->next = copyNode;     // 原节点指向新节点
            cur = copyNode->next;     // 移动到下一个原节点
        }

        // 2. 为复制出来的节点构造 random 指针
        cur = head;
        while (cur) {
            if (cur->random) {
                // cur->next 是新节点，cur->random->next 是random目标节点对应的新节点
                cur->next->random = cur->random->next;
            }
            cur = cur->next->next;  // 跨过复制节点，移动到下一个原节点
        }

        // 3. 拆分链表，恢复原链表并提取出复制链表
        cur = head;
        Node* dummy = new Node(0);  // 虚拟头节点，方便串联新链表
        Node* copyCur = dummy;

        while (cur) {
            Node* copyNode = cur->next;
            cur->next = copyNode->next;   // 恢复原链表的next指针

            copyCur->next = copyNode;     // 将新节点接入新链表
            copyCur = copyCur->next;

            cur = cur->next;       // 移动到下一个原节点
        }

        return dummy->next;
    }
};

复杂度分析

时间复杂度： O ( n ) O(n) O(n)，三次线性遍历链表。

空间复杂度： O ( 1 ) O(1) O(1)，若干临时指针变量空间。

三、知识风暴

哈希表映射 + 指针重建 是本题的核心思想：利用哈希表建立 原节点 -> 新节点 的一一映射，先创建所有新节点，再借助映射关系重建 next 与 random 指针，从而完成链表的深拷贝。

算法核心思想：

哈希表映射 ：unordered_map<Node*, Node*> 维护原节点与新节点的对应关系，实现 O ( 1 ) O(1) O(1) 的指针映射查找。
两轮遍历 ：第一轮只创建新节点并建立映射，第二轮借助映射重建 next 与 random 指针。
空指针处理 ：mp[nullptr] 默认返回 nullptr，天然处理了 next/random 为空的边界情况。
一次深拷贝 ：整个过程只需遍历链表两遍，时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n)。

常见对比：哈希表法 vs 节点交织法

方法	核心思路	时间复杂度	空间复杂度	适用场景
哈希表法	哈希表建立映射，两轮遍历重建指针	O ( n ) O(n) O(n)	O ( n ) O(n) O(n)	思路直观、易于理解，面试最常考察，无指针操作风险
节点交织法	复制节点插入原节点之后，再拆分链表	O ( n ) O(n) O(n)	O ( 1 ) O(1) O(1)	空间更优，但指针操作复杂，需注意拆分时恢复原链表

使用要点：

映射建立 ：第一轮遍历时 mp[cur] = new Node(cur->val)，只复制数值不处理指针。
指针重建 ：第二轮遍历时 mp[cur]->next = mp[cur->next]、mp[cur]->random = mp[cur->random]，借助映射一次性完成。
空指针安全 ：mp[nullptr] 默认返回 nullptr，无需额外判断 cur->next 或 cur->random 是否为空。
返回头节点 ：最终返回 mp[head]，即原链表头节点对应的新节点。
递归终止条件 ：head == nullptr 时直接返回 nullptr，空链表无需拷贝。

算法变体与扩展：

深拷贝带随机指针的二叉树：将哈希表映射思想推广到二叉树，先复制节点再重建左右子树与随机指针（对应 LeetCode 1485）。
克隆图：借助哈希表记录已访问节点，DFS/BFS 遍历图并复制节点与邻接关系（对应 LeetCode 133）。
复制带随机指针的链表（递归版）：用递归 + 哈希表缓存已复制节点，避免重复复制（对应 LeetCode 138 的递归解法）。
序列化与反序列化二叉树：借助哈希表或索引重建节点间的父子关系，与本题的映射思想异曲同工（对应 LeetCode 297）。

与其他算法的对比：

哈希表法 ： O ( n ) O(n) O(n) 时间、 O ( n ) O(n) O(n) 空间，思路清晰、实现简单，是本题最直观的解法。
节点交织法 ： O ( n ) O(n) O(n) 时间、 O ( 1 ) O(1) O(1) 空间，空间更优，但需注意拆分时恢复原链表结构，指针操作易出错。

相关 LeetCode 例题：

138. 随机链表的复制（本题，哈希表映射 + 指针重建）
133. 克隆图（哈希表记录已访问节点，DFS/BFS 复制）
1485. 克隆含随机指针的二叉树（哈希表映射推广到二叉树）
297. 二叉树的序列化与反序列化（映射思想重建节点关系）