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复制含有随机指针节点的链表

news 来源：原创 2024/5/17 16:50:13

【说明】：

　　本文是左程云老师所著的《程序员面试代码指南》第二章中“复制含有随机指针节点的链表”这一题目的C++复现。

　　本文只包含问题描述、C++代码的实现以及简单的思路，不包含解析说明，具体的问题解析请参考原书。

　　感谢左程云老师的支持。

【题目】：

　　一种特殊的链表节点类描述如下：

1 struct Node
2  12 {
3  13     int value;
4  14     Node *next;
5  15     Node *rand;
6  16 };

View Code

　　Node 中的 value 是节点值，next 指针和正常链表中的 next 指针的意义一样，都指向下一个节点，rand 指针是 Node 类中新增的指针，这个指针可能指向链表中的任意一个节点，也可能指向 NULL。

　　给定一个由 Node 节点类型组成的无环单链表的头节点 head，请实现一个函数完成这个链表中所有结构的复制，并返回复制的新链表的头节点。例如：链表1->2->3->NULL。假设 1 的 rand 指针指向 3，2 的 rand 指针指向NULL，3 的 rand 指针指向 1。复制后的链表应该也是这种结构，比如， 1‘-2'->3'->NULL，1' 的 rand 指针指向 3，2' 的 rand 指针指向 NULL，3' 的 rand 指针指向 1‘，最后返回 1‘。

【进阶】：

　　不是用额外的数据结构，只使用有限几个变量，且在时间复杂度为 O(N)内完成原问题要实现的函数。

【思路】：

　　普通解法：使用hash_map

　　进阶解法：1->2->3-NULL ------> 1->1'->2->2'->3->3'->NULL

　　不管是普通算法还是进阶算法找到 rand 所对应的 Node 是关键。

【编译环境】：

　　CentOS6.7（x86_64）

　　gcc 4.4.7

【实现】：

　　实现及测试代码：

  1 /*
  2  *文件名：listWithRand_copy.cpp
  3  *作者：
  4  *摘要：复制含有随机指针节点的链表
  5  */
  6 
  7 #include <iostream>
  8 #include <hash_map>
  9 
 10 using namespace std;
 11 using namespace __gnu_cxx;
 12 
 13 struct Node
 14 {
 15     int value;
 16     Node *next;
 17     Node *rand;
 18 };
 19 
 20 //使用hash_map所需要的hash函数
 21 struct hash_Node
 22 {
 23     size_t operator() (const Node &node) const
 24     {
 25         return node.value;
 26     }
 27 };
 28 
 29 //使用hash_map所需要的比较函数
 30 struct compare_Node
 31 {
 32     bool operator() (const Node &n1,const Node &n2) const
 33     {
 34         return n1.value == n2.value && n1.next == n2.next && n1.rand == n2.rand;
 35     }
 36 };
 37 
 38 //使用hash_map解决问题
 39 Node* copyListWithRand1(Node *head)
 40 {
 41     hash_map<Node,Node,hash_Node,compare_Node> map;
 42     Node *cur = head;
 43     while(NULL != cur)
 44     {
 45         Node *ptr = new Node;
 46         ptr->value = cur->value;
 47         ptr->next = NULL;
 48         ptr->rand = NULL;
 49         map[*cur] = *ptr;    //一一对应的关系
 50         cur = cur->next;
 51     }
 52     cur = head;
 53     while(NULL != cur)
 54     {
 55         map[*cur].next = cur->next;
 56         map[*cur].rand = cur->rand;
 57         cur = cur->next;
 58     }
 59     return &map[*head];
 60 }
 61 
 62 Node* copyListWithRand2(Node *head)
 63 {
 64     if(NULL == head)
 65         return NULL;
 66     Node *cur = head;
 67     Node *next = NULL;
 68     while(NULL != cur)
 69     {
 70         next = new Node;
 71         next->value = cur->value;
 72         next->next = cur->next;
 73         next->rand = NULL;
 74         cur->next = next;
 75         cur = next->next;
 76     }
 77     
 78     cur = head;
 79     Node *curCopy = NULL;
 80     while(NULL != cur)    //复制rand
 81     {
 82         next = cur->next->next;
 83         curCopy = cur->next;
 84         curCopy->rand = NULL != cur->rand ? cur->rand->next : NULL;
 85         cur = next;
 86     }
 87     
 88     Node *res = head->next;
 89     cur = head;
 90     while(NULL != cur)
 91     {
 92         next = cur->next->next;
 93         curCopy = cur->next;
 94         cur->next = next;
 95         curCopy->next = NULL != next ? next->next : NULL;
 96         cur = next;
 97     }
 98     return res;
 99 }
100 
101 void printListWithRand(Node *head)
102 {
103     while(NULL != head)
104     {
105         if(NULL != head->rand)
106             cout << head->value << " rand is: " << head->rand->value << endl;
107         else
108             cout << head->value << " rand is: NULL " << endl;
109             
110         if(NULL != head->next)
111             cout << head->value << " next is: " << head->next->value << endl;
112         else
113             cout << head->value << " next is: NULL " << endl;
114         head = head->next;
115     }
116 }
117 
118 int main()
119 {
120     Node *head = NULL;
121     Node *ptr = NULL;
122     
123     for(int i =0;i<4;i++)//构造链表
124     {
125         if(NULL == head)
126         {    
127             head = new Node;
128             head->value = i;
129             head->next = NULL;
130             head->rand = NULL;
131             ptr = head;
132             continue;
133         }
134         ptr->next = new Node;
135         ptr->rand = ptr->next;
136         ptr = ptr->next;
137         ptr->value = i;
138         ptr->next = NULL;
139         ptr->rand = NULL;
140     }
141     
142     cout << "before copy:" << endl;
143     printListWithRand(head);    
144 
145     cout << "Using hash_map to copy:" << endl;
146     ptr = copyListWithRand1(head);
147     printListWithRand(ptr);    
148 
149     cout << "Using advanced algorithm to copy:" << endl;
150     ptr = copyListWithRand2(head);
151     printListWithRand(ptr);    
152     return 0;
153 }