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Java详解LeetCode 热题 100(23):LeetCode 206. 反转链表（Reverse Linked List）详解

news 来源：原创 2025/6/4 14:36:06

文章目录

- 1. 题目描述
- - 1.1 链表节点定义
- 2. 理解题目
- - 2.1 反转前后对比
  - 2.2 核心思路
- 3. 解法一：迭代法（三指针法）
- - 3.1 算法思路
  - 3.2 详细图解
  - 3.3 Java代码实现
  - 3.4 代码执行过程演示
  - 3.5 执行结果示例
  - 3.6 优化版本（简化代码）
  - 3.7 复杂度分析
  - 3.8 适用场景
- 4. 解法二：递归法
- - 4.1 递归思路
  - 4.2 Java递归实现
  - 4.3 递归过程详细演示
  - 4.4 递归执行过程
  - 4.5 递归的图解说明
  - 4.6 递归算法的关键理解
  - 4.7 复杂度分析
  - 4.8 递归法的优缺点
- 5. 完整测试用例和边界处理
- - 5.1 完整测试代码
- 6. 常见错误与调试技巧
- - 6.1 常见错误分析
  - - 错误1：忘记保存下一个节点
    - 错误2：返回错误的头节点
    - 错误3：边界条件处理不当
    - 错误4：递归中形成环
  - 6.2 调试技巧
  - - 技巧1：添加调试输出
    - 技巧2：单元测试验证
    - 技巧3：可视化工具
- 7. 扩展题目与变种
- - 7.1 反转链表 II (LeetCode 92)
  - 7.2 两两交换链表中的节点 (LeetCode 24)
  - 7.3 K个一组翻转链表 (LeetCode 25)
  - 7.4 判断链表是否为回文 (LeetCode 234)
- 8. 实际应用场景
- - 8.1 浏览器历史记录
  - 8.2 音乐播放器
  - 8.3 文档编辑器的撤销功能
- 9. 性能分析与优化
- - 9.1 时间复杂度对比
  - 9.2 性能测试代码
- 10. 总结与学习建议
- - 10.1 核心要点总结
  - 10.2 学习收获
  - 10.3 面试准备建议
  - 10.4 进阶学习方向

1. 题目描述

给你单链表的头节点 head ，请你反转链表，并返回反转后的链表。

示例 1:

输入：head = [1,2,3,4,5]
输出：[5,4,3,2,1]

示例 2:

输入：head = [1,2]
输出：[2,1]

示例 3:

输入：head = []
输出：[]

提示：

链表中节点的数目范围是 [0, 5000]
-5000 <= Node.val <= 5000

进阶： 链表可以选用迭代或递归方式完成反转。你能否用两种方法解决这道题？

1.1 链表节点定义

/*** 单链表节点的定义*/
public class ListNode {int val;           // 节点的值ListNode next;     // 指向下一个节点的指针// 无参构造函数ListNode() {}// 带值的构造函数ListNode(int val) { this.val = val; }// 带值和下一个节点的构造函数ListNode(int val, ListNode next) { this.val = val; this.next = next; }
}

2. 理解题目

这道题要求我们反转一个单链表。具体来说：

输入是一个链表的头节点 head
需要将链表中所有节点的指针方向反转
返回新的头节点（原来的尾节点）

关键点：

链表的方向需要完全颠倒
原来的头节点将变成尾节点，原来的尾节点将变成头节点
每个节点的 next 指针都要改变方向
需要处理空链表和单节点链表的特殊情况

2.1 反转前后对比

反转前：

1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> NULL

反转后：

NULL <- 1 <- 2 <- 3 <- 4 <- 5

实际上就是：

5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 -> NULL

2.2 核心思路

反转链表的关键在于：

改变指针方向：将每个节点的 next 指针从指向后一个节点改为指向前一个节点
保存节点信息：在改变指针之前，必须先保存下一个节点的信息，否则会丢失链表的后续部分
逐步处理：从头到尾遍历链表，逐个处理每个节点

3. 解法一：迭代法（三指针法）

3.1 算法思路

迭代法是最直观、最容易理解的方法。我们使用三个指针：

prev：指向当前节点的前一个节点（反转后的下一个节点）
curr：指向当前正在处理的节点
next：临时保存当前节点的下一个节点，防止丢失

核心步骤：

初始化 prev = null，curr = head
循环处理每个节点：
- 保存 curr.next 到 next
- 将 curr.next 指向 prev（反转指针）
- 将 prev 和 curr 都向前移动一步
返回 prev（新的头节点）

3.2 详细图解

让我们通过图解来理解每一步：

初始状态：

prev = NULL
curr = 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> NULL
next = ?

第一步：处理节点1

1. next = curr.next = 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> NULL  (保存下一个节点)
2. curr.next = prev = NULL                       (反转指针)
3. prev = curr = 1                               (移动prev)
4. curr = next = 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> NULL       (移动curr)结果：NULL <- 1    2 -> 3 -> 4 -> 5 -> NULLprev  curr

第二步：处理节点2

1. next = curr.next = 3 -> 4 -> 5 -> NULL
2. curr.next = prev = 1
3. prev = curr = 2
4. curr = next = 3 -> 4 -> 5 -> NULL结果：NULL <- 1 <- 2    3 -> 4 -> 5 -> NULLprev  curr

继续这个过程直到 curr 为 NULL…

3.3 Java代码实现

/*** 迭代法反转链表（三指针法）* 时间复杂度：O(n)，其中 n 是链表的长度，需要遍历链表一次* 空间复杂度：O(1)，只使用常数级额外空间*/
class Solution {public ListNode reverseList(ListNode head) {// 边界条件：空链表或只有一个节点if (head == null || head.next == null) {return head;}// 初始化三个指针ListNode prev = null;    // 前一个节点，初始为nullListNode curr = head;    // 当前节点，从头节点开始ListNode next = null;    // 下一个节点，用于临时保存// 遍历链表，逐个反转节点while (curr != null) {// 步骤1：保存下一个节点，防止丢失链表后续部分next = curr.next;// 步骤2：反转当前节点的指针，指向前一个节点curr.next = prev;// 步骤3：移动指针，为下一次迭代做准备prev = curr;         // prev移动到当前节点curr = next;         // curr移动到下一个节点}// 循环结束时，prev指向原链表的最后一个节点，即新链表的头节点return prev;}
}

3.4 代码执行过程演示

让我们用示例 [1,2,3,4,5] 来详细演示代码执行过程：

/*** 迭代过程详细演示类*/
public class IterativeReverseDemo {public ListNode reverseList(ListNode head) {System.out.println("=== 开始反转链表 ===");System.out.println("原链表：" + printList(head));if (head == null || head.next == null) {System.out.println("链表为空或只有一个节点，直接返回");return head;}ListNode prev = null;ListNode curr = head;ListNode next = null;int step = 1;while (curr != null) {System.out.println("\n--- 第" + step + "步 ---");System.out.println("当前状态：");System.out.println("  prev: " + (prev == null ? "null" : prev.val));System.out.println("  curr: " + curr.val);System.out.println("  next: " + (curr.next == null ? "null" : curr.next.val));// 保存下一个节点next = curr.next;System.out.println("保存下一个节点：next = " + (next == null ? "null" : next.val));// 反转指针curr.next = prev;System.out.println("反转指针：" + curr.val + ".next = " + (prev == null ? "null" : prev.val));// 移动指针prev = curr;curr = next;System.out.println("移动指针：");System.out.println("  prev = " + prev.val);System.out.println("  curr = " + (curr == null ? "null" : curr.val));// 打印当前已反转部分System.out.println("当前已反转部分：" + printReversedPart(prev, curr));step++;}System.out.println("\n=== 反转完成 ===");System.out.println("最终结果：" + printList(prev));return prev;}// 辅助方法：打印链表private String printList(ListNode head) {if (head == null) return "[]";StringBuilder sb = new StringBuilder();sb.append("[");while (head != null) {sb.append(head.val);if (head.next != null) sb.append(" -> ");head = head.next;}sb.append(" -> null]");return sb.toString();}// 辅助方法：打印已反转部分private String printReversedPart(ListNode reversed, ListNode remaining) {StringBuilder sb = new StringBuilder();sb.append("已反转：");if (reversed == null) {sb.append("null");} else {// 需要从前往后打印已反转部分，但我们只有指向最后一个的指针// 为了演示，我们简化显示sb.append("... -> ").append(reversed.val).append(" -> null");}sb.append(" | 待处理：");if (remaining == null) {sb.append("null");} else {ListNode temp = remaining;sb.append("[");while (temp != null) {sb.append(temp.val);if (temp.next != null) sb.append(" -> ");temp = temp.next;}sb.append(" -> null]");}return sb.toString();}
}

3.5 执行结果示例

=== 开始反转链表 ===
原链表：[1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> null]--- 第1步 ---
当前状态：prev: nullcurr: 1next: 2
保存下一个节点：next = 2
反转指针：1.next = null
移动指针：prev = 1curr = 2
当前已反转部分：已反转：... -> 1 -> null | 待处理：[2 -> 3 -> 4 -> 5 -> null]--- 第2步 ---
当前状态：prev: 1curr: 2next: 3
保存下一个节点：next = 3
反转指针：2.next = 1
移动指针：prev = 2curr = 3
当前已反转部分：已反转：... -> 2 -> null | 待处理：[3 -> 4 -> 5 -> null]--- 第3步 ---
当前状态：prev: 2curr: 3next: 4
保存下一个节点：next = 4
反转指针：3.next = 2
移动指针：prev = 3curr = 4
当前已反转部分：已反转：... -> 3 -> null | 待处理：[4 -> 5 -> null]--- 第4步 ---
当前状态：prev: 3curr: 4next: 5
保存下一个节点：next = 5
反转指针：4.next = 3
移动指针：prev = 4curr = 5
当前已反转部分：已反转：... -> 4 -> null | 待处理：[5 -> null]--- 第5步 ---
当前状态：prev: 4curr: 5next: null
保存下一个节点：next = null
反转指针：5.next = 4
移动指针：prev = 5curr = null
当前已反转部分：已反转：... -> 5 -> null | 待处理：null=== 反转完成 ===
最终结果：[5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 -> null]

3.6 优化版本（简化代码）

/*** 迭代法的简洁版本* 功能完全相同，但代码更简洁*/
class SolutionOptimized {public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;  // 保存下一个节点curr.next = prev;           // 反转指针prev = curr;                // 移动prevcurr = next;                // 移动curr}return prev;  // prev指向新的头节点}
}

3.7 复杂度分析

时间复杂度： O(n)

其中 n 是链表的长度
我们需要遍历链表一次，每个节点只访问一次
每次操作都是常数时间

空间复杂度： O(1)

只使用了常数级的额外空间（三个指针变量）
不依赖于输入链表的长度

3.8 适用场景

迭代法是解决链表反转问题的首选方法，因为：

空间效率高：只使用常数级额外空间
易于理解：逻辑直观，容易掌握
性能优秀：没有递归调用开销
适用性广：适合处理长链表，不会出现栈溢出问题

4. 解法二：递归法

4.1 递归思路

递归的核心思想是将大问题分解为小问题：

递归假设：假设 reverseList(head.next) 能够正确反转从第二个节点开始的子链表
处理当前节点：将当前节点接到已反转的子链表末尾
返回新头节点：返回反转后链表的头节点

递归过程分析：
对于链表 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> null：

reverseList(1->2->3->4->5)
├── 递归处理子链表：reverseList(2->3->4->5) 返回 5->4->3->2
├── 将当前节点1接到反转后的链表末尾：5->4->3->2->1
└── 返回新的头节点5最终结果：5->4->3->2->1->null

4.2 Java递归实现

/*** 递归法反转链表* 时间复杂度：O(n)，其中 n 是链表的长度* 空间复杂度：O(n)，递归调用栈的深度为 n*/
class RecursiveSolution {public ListNode reverseList(ListNode head) {// 递归终止条件：空链表或单节点链表if (head == null || head.next == null) {return head;}// 递归反转子链表，获得新的头节点ListNode newHead = reverseList(head.next);// 反转当前节点和下一个节点的连接// head.next 现在指向子链表的第一个节点（反转前的第二个节点）// 我们让这个节点指向当前节点head.next.next = head;// 断开当前节点到下一个节点的连接，避免形成环head.next = null;// 返回新的头节点（整个递归过程中保持不变）return newHead;}
}

4.3 递归过程详细演示

/*** 递归过程可视化演示*/
public class RecursiveReverseDemo {private int depth = 0;  // 递归深度计数器public ListNode reverseList(ListNode head) {String indent = "  ".repeat(depth);  // 缩进显示递归层次System.out.println(indent + "→ 进入递归 depth=" + depth + ", 当前节点: " + (head == null ? "null" : head.val));// 递归终止条件if (head == null || head.next == null) {System.out.println(indent + "← 递归边界，返回: " + (head == null ? "null" : head.val));return head;}System.out.println(indent + "当前处理: " + head.val + " -> " + (head.next == null ? "null" : head.next.val));depth++;  // 递归深度增加// 递归处理子链表System.out.println(indent + "递归处理子链表...");ListNode newHead = reverseList(head.next);depth--;  // 递归深度减少System.out.println(indent + "← 递归返回，继续处理节点: " + head.val);System.out.println(indent + "子链表已反转，新头节点: " + newHead.val);// 反转当前节点和下一个节点的连接System.out.println(indent + "反转连接: " + head.val + " <-> " + head.next.val);System.out.println(indent + "执行: " + head.next.val + ".next = " + head.val);head.next.next = head;System.out.println(indent + "断开: " + head.val + ".next = null");head.next = null;System.out.println(indent + "当前层处理完成，返回头节点: " + newHead.val);return newHead;}
}

4.4 递归执行过程

对于输入 [1,2,3,4,5]，递归过程如下：

→ 进入递归 depth=0, 当前节点: 1
当前处理: 1 -> 2
递归处理子链表...→ 进入递归 depth=1, 当前节点: 2当前处理: 2 -> 3递归处理子链表...→ 进入递归 depth=2, 当前节点: 3当前处理: 3 -> 4递归处理子链表...→ 进入递归 depth=3, 当前节点: 4当前处理: 4 -> 5递归处理子链表...→ 进入递归 depth=4, 当前节点: 5← 递归边界，返回: 5← 递归返回，继续处理节点: 4子链表已反转，新头节点: 5反转连接: 4 <-> 5执行: 5.next = 4断开: 4.next = null当前层处理完成，返回头节点: 5← 递归返回，继续处理节点: 3子链表已反转，新头节点: 5反转连接: 3 <-> 4执行: 4.next = 3断开: 3.next = null当前层处理完成，返回头节点: 5← 递归返回，继续处理节点: 2子链表已反转，新头节点: 5反转连接: 2 <-> 3执行: 3.next = 2断开: 2.next = null当前层处理完成，返回头节点: 5
← 递归返回，继续处理节点: 1
子链表已反转，新头节点: 5
反转连接: 1 <-> 2
执行: 2.next = 1
断开: 1.next = null
当前层处理完成，返回头节点: 5

4.5 递归的图解说明

原链表：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> null递归调用栈展开：
reverseList(1->2->3->4->5) {newHead = reverseList(2->3->4->5) {newHead = reverseList(3->4->5) {newHead = reverseList(4->5) {newHead = reverseList(5) {return 5;  // 递归出口}// 处理节点4// 当前状态：5  4->54.next.next = 4;  // 5.next = 44.next = null;    // 断开 4->5// 结果：5->4  (4指向null)return 5;}// 处理节点3// 当前状态：5->4  3->43.next.next = 3;  // 4.next = 33.next = null;    // 断开 3->4// 结果：5->4->3  (3指向null)return 5;}// 处理节点2// 当前状态：5->4->3  2->32.next.next = 2;  // 3.next = 22.next = null;    // 断开 2->3// 结果：5->4->3->2  (2指向null)return 5;}// 处理节点1// 当前状态：5->4->3->2  1->21.next.next = 1;  // 2.next = 11.next = null;    // 断开 1->2// 结果：5->4->3->2->1  (1指向null)return 5;
}最终结果：5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 -> null

4.6 递归算法的关键理解

递归假设的重要性：
- 我们假设 reverseList(head.next) 能正确反转子链表
- 基于这个假设，我们只需要处理当前节点与子链表的连接

"反转"的具体操作：

head.next.next = head;  // 让下一个节点指向当前节点
head.next = null;       // 断开当前节点到下一个节点的连接

返回值的传递：
- 新的头节点（原链表的尾节点）在整个递归过程中保持不变
- 每层递归都返回这个相同的头节点

4.7 复杂度分析

时间复杂度： O(n)

每个节点被访问一次，总共 n 次递归调用
每次递归的操作都是常数时间

空间复杂度： O(n)

递归调用栈的深度为 n（链表长度）
每层递归需要常数级的额外空间
总空间复杂度为 O(n)

4.8 递归法的优缺点

优点：

代码简洁：递归版本的代码更加简洁优雅
思路清晰：递归思维符合问题的分解特性
易于理解：一旦理解递归思想，代码逻辑很清晰

缺点：

空间开销大：需要 O(n) 的递归栈空间
可能栈溢出：对于很长的链表，可能导致栈溢出
性能略差：函数调用有一定开销

5. 完整测试用例和边界处理

5.1 完整测试代码

/*** 反转链表完整测试类*/
public class ReverseListTest {public static void main(String[] args) {ReverseListTest test = new ReverseListTest();System.out.println("=== 反转链表测试套件 ===\n");// 运行所有测试用例test.testCase1_NormalList();test.testCase2_EmptyList();test.testCase3_SingleNode();test.testCase4_TwoNodes();test.testCase5_LargeList();test.testCase6_PerformanceTest();System.out.println("=== 所有测试完成 ===");}/*** 测试用例1：正常链表 [1,2,3,4,5]*/public void testCase1_NormalList() {System.out.println("【测试用例1】正常链表 [1,2,3,4,5]");// 构建测试链表ListNode head = buildList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});System.out.println("原链表：" + printList(head));// 测试迭代法Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("迭代法结果：" + printList(result1));// 测试递归法RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("递归法结果：" + printList(result2));// 验证结果boolean isCorrect = isEqual(result1, result2) && isListEqual(result1, new int[]{5, 4, 3, 2, 1});System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}/*** 测试用例2：空链表 []*/public void testCase2_EmptyList() {System.out.println("【测试用例2】空链表 []");ListNode head = null;System.out.println("原链表：" + printList(head));Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(head);System.out.println("迭代法结果：" + printList(result1));RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(head);System.out.println("递归法结果：" + printList(result2));boolean isCorrect = (result1 == null && result2 == null);System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}/*** 测试用例3：单节点链表 [42]*/public void testCase3_SingleNode() {System.out.println("【测试用例3】单节点链表 [42]");ListNode head = new ListNode(42);System.out.println("原链表：" + printList(head));Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("迭代法结果：" + printList(result1));RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("递归法结果：" + printList(result2));boolean isCorrect = isEqual(result1, result2) && result1 != null && result1.val == 42 && result1.next == null;System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}/*** 测试用例4：两个节点 [1,2]*/public void testCase4_TwoNodes() {System.out.println("【测试用例4】两个节点 [1,2]");ListNode head = buildList(new int[]{1, 2});System.out.println("原链表：" + printList(head));Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("迭代法结果：" + printList(result1));RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("递归法结果：" + printList(result2));boolean isCorrect = isEqual(result1, result2) && isListEqual(result1, new int[]{2, 1});System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}/*** 测试用例5：较大链表 [1,2,3,...,10]*/public void testCase5_LargeList() {System.out.println("【测试用例5】较大链表 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]");int[] values = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};ListNode head = buildList(values);System.out.println("原链表：" + printList(head));Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("迭代法结果：" + printList(result1));RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(copyList(head));System.out.println("递归法结果：" + printList(result2));int[] expected = {10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1};boolean isCorrect = isEqual(result1, result2) && isListEqual(result1, expected);System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}/*** 测试用例6：性能测试*/public void testCase6_PerformanceTest() {System.out.println("【测试用例6】性能测试 - 1000个节点");// 构建1000个节点的链表int[] values = new int[1000];for (int i = 0; i < 1000; i++) {values[i] = i + 1;}ListNode head = buildList(values);System.out.println("构建了包含1000个节点的链表");// 测试迭代法性能long start1 = System.nanoTime();Solution iterativeSol = new Solution();ListNode result1 = iterativeSol.reverseList(copyList(head));long end1 = System.nanoTime();long iterativeTime = end1 - start1;// 测试递归法性能long start2 = System.nanoTime();RecursiveSolution recursiveSol = new RecursiveSolution();ListNode result2 = recursiveSol.reverseList(copyList(head));long end2 = System.nanoTime();long recursiveTime = end2 - start2;System.out.println("迭代法耗时：" + iterativeTime + " 纳秒");System.out.println("递归法耗时：" + recursiveTime + " 纳秒");System.out.println("性能对比：递归法耗时是迭代法的 " + String.format("%.2f", (double) recursiveTime / iterativeTime) + " 倍");// 验证结果正确性boolean isCorrect = isEqual(result1, result2);System.out.println("结果验证：" + (isCorrect ? "✅ 通过" : "❌ 失败"));System.out.println();}// ===== 辅助方法 =====/*** 根据数组构建链表*/private ListNode buildList(int[] values) {if (values == null || values.length == 0) {return null;}ListNode head = new ListNode(values[0]);ListNode curr = head;for (int i = 1; i < values.length; i++) {curr.next = new ListNode(values[i]);curr = curr.next;}return head;}/*** 打印链表*/private String printList(ListNode head) {if (head == null) return "[]";StringBuilder sb = new StringBuilder();sb.append("[");ListNode curr = head;while (curr != null) {sb.append(curr.val);if (curr.next != null) sb.append(", ");curr = curr.next;}sb.append("]");return sb.toString();}/*** 复制链表*/private ListNode copyList(ListNode head) {if (head == null) return null;ListNode newHead = new ListNode(head.val);ListNode newCurr = newHead;ListNode curr = head.next;while (curr != null) {newCurr.next = new ListNode(curr.val);newCurr = newCurr.next;curr = curr.next;}return newHead;}/*** 比较两个链表是否相等*/private boolean isEqual(ListNode l1, ListNode l2) {while (l1 != null && l2 != null) {if (l1.val != l2.val) return false;l1 = l1.next;l2 = l2.next;}return l1 == null && l2 == null;}/*** 检查链表是否与给定数组相等*/private boolean isListEqual(ListNode head, int[] expected) {ListNode curr = head;for (int i = 0; i < expected.length; i++) {if (curr == null || curr.val != expected[i]) {return false;}curr = curr.next;}return curr == null;}
}

6. 常见错误与调试技巧

6.1 常见错误分析

错误1：忘记保存下一个节点

// ❌ 错误代码：会导致链表丢失
public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {curr.next = prev;    // 直接修改next，丢失了后续节点！prev = curr;curr = curr.next;    // curr.next已经被修改，无法继续遍历}return prev;
}// ✅ 正确代码：先保存再修改
public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;  // 先保存下一个节点curr.next = prev;           // 再修改指针prev = curr;curr = next;                // 使用保存的节点继续遍历}return prev;
}

错误2：返回错误的头节点

// ❌ 错误：返回原头节点
public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}return head;  // 错误！head现在是尾节点，应该返回prev
}// ✅ 正确：返回新的头节点
public ListNode reverseList(ListNode head) {// ... 相同的处理逻辑 ...return prev;  // prev指向新的头节点（原来的尾节点）
}

错误3：边界条件处理不当

// ❌ 错误：没有处理特殊情况
public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;// 如果head为null，这里会出错while (curr != null) {// ...}return prev;
}// ✅ 正确：先处理边界条件
public ListNode reverseList(ListNode head) {if (head == null || head.next == null) {return head;  // 空链表或单节点直接返回}// ... 正常处理逻辑 ...
}

错误4：递归中形成环

// ❌ 错误：没有断开原连接，形成环
public ListNode reverseList(ListNode head) {if (head == null || head.next == null) {return head;}ListNode newHead = reverseList(head.next);head.next.next = head;  // 反转连接// 忘记断开原连接！会形成环：head <-> head.nextreturn newHead;
}// ✅ 正确：断开原连接
public ListNode reverseList(ListNode head) {if (head == null || head.next == null) {return head;}ListNode newHead = reverseList(head.next);head.next.next = head;head.next = null;       // 必须断开原连接return newHead;
}

6.2 调试技巧

技巧1：添加调试输出

/*** 带调试输出的反转函数*/
public ListNode reverseListWithDebug(ListNode head) {System.out.println("开始反转：" + printList(head));if (head == null || head.next == null) {System.out.println("边界情况，直接返回");return head;}ListNode prev = null;ListNode curr = head;int step = 0;while (curr != null) {System.out.println("步骤 " + (++step) + ":");System.out.println("  处理节点: " + curr.val);System.out.println("  当前状态: prev=" + (prev == null ? "null" : prev.val) + ", curr=" + curr.val);ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;System.out.println("  操作后: prev=" + prev.val + ", curr=" + (curr == null ? "null" : curr.val));System.out.println("  当前已反转部分: " + printPartialList(prev, 3));System.out.println();}System.out.println("反转完成：" + printList(prev));return prev;
}private String printPartialList(ListNode head, int maxNodes) {if (head == null) return "null";StringBuilder sb = new StringBuilder();ListNode curr = head;int count = 0;while (curr != null && count < maxNodes) {sb.append(curr.val);if (curr.next != null && count < maxNodes - 1) sb.append("->");curr = curr.next;count++;}if (curr != null) sb.append("->...");return sb.toString();
}

技巧2：单元测试验证

/*** 单元测试类*/
public class ReverseListUnitTest {@Testpublic void testEmptyList() {Solution sol = new Solution();ListNode result = sol.reverseList(null);assertNull("空链表应返回null", result);}@Testpublic void testSingleNode() {Solution sol = new Solution();ListNode head = new ListNode(1);ListNode result = sol.reverseList(head);assertNotNull("单节点不应为null", result);assertEquals("值应该是1", 1, result.val);assertNull("下一个节点应为null", result.next);}@Testpublic void testTwoNodes() {Solution sol = new Solution();ListNode head = new ListNode(1);head.next = new ListNode(2);ListNode result = sol.reverseList(head);assertEquals("第一个节点值应为2", 2, result.val);assertEquals("第二个节点值应为1", 1, result.next.val);assertNull("第三个节点应为null", result.next.next);}@Testpublic void testNormalList() {Solution sol = new Solution();ListNode head = buildList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});ListNode result = sol.reverseList(head);int[] expected = {5, 4, 3, 2, 1};for (int i = 0; i < expected.length; i++) {assertNotNull("节点不应为null", result);assertEquals("节点值不匹配", expected[i], result.val);result = result.next;}assertNull("最后应为null", result);}
}

技巧3：可视化工具

/*** 链表可视化工具*/
public class ListVisualizer {/*** 生成链表的图形表示*/public static void visualizeList(ListNode head, String title) {System.out.println("\n=== " + title + " ===");if (head == null) {System.out.println("null");return;}// 打印节点值ListNode curr = head;while (curr != null) {System.out.print("┌─────┐");if (curr.next != null) System.out.print("    ");curr = curr.next;}System.out.println();// 打印节点内容curr = head;while (curr != null) {System.out.printf("│  %2d │", curr.val);if (curr.next != null) System.out.print(" -> ");curr = curr.next;}System.out.println(" -> null");// 打印底部边框curr = head;while (curr != null) {System.out.print("└─────┘");if (curr.next != null) System.out.print("    ");curr = curr.next;}System.out.println("\n");}/*** 演示反转过程*/public static void demonstrateReverse() {ListNode head = buildList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});visualizeList(head, "原始链表");Solution sol = new Solution();ListNode reversed = sol.reverseList(head);visualizeList(reversed, "反转后链表");}
}

7. 扩展题目与变种

7.1 反转链表 II (LeetCode 92)

给你单链表的头指针 head 和两个整数 left 和 right，其中 left <= right。请你反转从位置 left 到位置 right 的链表节点，返回反转后的链表。

/*** 反转链表的指定区间*/
public class ReverseListII {public ListNode reverseBetween(ListNode head, int left, int right) {if (head == null || left == right) {return head;}// 创建虚拟头节点ListNode dummy = new ListNode(0);dummy.next = head;// 找到left位置的前一个节点ListNode prevLeft = dummy;for (int i = 1; i < left; i++) {prevLeft = prevLeft.next;}// 反转left到right之间的节点ListNode prev = null;ListNode curr = prevLeft.next;for (int i = left; i <= right; i++) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}// 重新连接prevLeft.next.next = curr;  // 连接反转部分的尾部prevLeft.next = prev;       // 连接反转部分的头部return dummy.next;}
}

7.2 两两交换链表中的节点 (LeetCode 24)

给定一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后的链表。

/*** 两两交换链表节点*/
public class SwapPairs {/*** 迭代法*/public ListNode swapPairs(ListNode head) {ListNode dummy = new ListNode(0);dummy.next = head;ListNode prev = dummy;while (prev.next != null && prev.next.next != null) {// 要交换的两个节点ListNode first = prev.next;ListNode second = prev.next.next;// 交换prev.next = second;first.next = second.next;second.next = first;// 移动prev到下一组的前面prev = first;}return dummy.next;}/*** 递归法*/public ListNode swapPairsRecursive(ListNode head) {if (head == null || head.next == null) {return head;}ListNode second = head.next;head.next = swapPairsRecursive(second.next);second.next = head;return second;}
}

7.3 K个一组翻转链表 (LeetCode 25)

给你一个链表，每 k 个节点一组进行翻转，请你返回翻转后的链表。

/*** K个一组翻转链表*/
public class ReverseKGroup {public ListNode reverseKGroup(ListNode head, int k) {if (head == null || k == 1) {return head;}// 检查是否有k个节点ListNode curr = head;for (int i = 0; i < k; i++) {if (curr == null) {return head;  // 不足k个节点，不反转}curr = curr.next;}// 反转前k个节点ListNode prev = null;curr = head;for (int i = 0; i < k; i++) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}// 递归处理剩余节点head.next = reverseKGroup(curr, k);return prev;}
}

7.4 判断链表是否为回文 (LeetCode 234)

/*** 判断链表是否为回文* 思路：找到中点，反转后半部分，然后比较*/
public class PalindromeLinkedList {public boolean isPalindrome(ListNode head) {if (head == null || head.next == null) {return true;}// 找到中点ListNode slow = head;ListNode fast = head;while (fast.next != null && fast.next.next != null) {slow = slow.next;fast = fast.next.next;}// 反转后半部分ListNode secondHalf = reverseList(slow.next);// 比较前半部分和后半部分ListNode firstHalf = head;while (secondHalf != null) {if (firstHalf.val != secondHalf.val) {return false;}firstHalf = firstHalf.next;secondHalf = secondHalf.next;}return true;}private ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}return prev;}
}

8. 实际应用场景

8.1 浏览器历史记录

/*** 浏览器历史记录实现* 使用链表反转来实现前进后退功能*/
public class BrowserHistory {private ListNode current;static class HistoryNode extends ListNode {String url;HistoryNode prev;HistoryNode next;HistoryNode(String url) {this.url = url;}}public BrowserHistory(String homepage) {current = new HistoryNode(homepage);}public void visit(String url) {// 清除当前节点之后的历史current.next = null;// 添加新页面HistoryNode newPage = new HistoryNode(url);current.next = newPage;newPage.prev = current;current = newPage;}public String back(int steps) {while (steps > 0 && current.prev != null) {current = current.prev;steps--;}return current.url;}public String forward(int steps) {while (steps > 0 && current.next != null) {current = current.next;steps--;}return current.url;}
}

8.2 音乐播放器

/*** 音乐播放器的播放列表* 支持反转播放顺序*/
public class MusicPlayer {private ListNode playlist;private ListNode current;private boolean reversed = false;static class Song extends ListNode {String title;String artist;Song(String title, String artist) {this.title = title;this.artist = artist;}@Overridepublic String toString() {return title + " - " + artist;}}public void addSong(String title, String artist) {Song newSong = new Song(title, artist);if (playlist == null) {playlist = newSong;current = newSong;} else {ListNode tail = playlist;while (tail.next != null) {tail = tail.next;}tail.next = newSong;}}public void reversePlaylist() {playlist = reverseList(playlist);reversed = !reversed;System.out.println("播放列表已" + (reversed ? "反转" : "恢复"));}public Song getCurrentSong() {return (Song) current;}public Song nextSong() {if (current != null && current.next != null) {current = current.next;}return (Song) current;}private ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}return prev;}
}

8.3 文档编辑器的撤销功能

/*** 文档编辑器的撤销/重做功能* 使用链表反转实现操作历史管理*/
public class DocumentEditor {private ListNode operationHistory;private ListNode currentState;static class Operation extends ListNode {String type;String content;int position;Operation(String type, String content, int position) {this.type = type;this.content = content;this.position = position;}}public void executeOperation(String type, String content, int position) {Operation op = new Operation(type, content, position);// 清除当前状态之后的历史if (currentState != null) {currentState.next = null;}// 添加新操作if (operationHistory == null) {operationHistory = op;currentState = op;} else {currentState.next = op;currentState = op;}System.out.println("执行操作: " + type + " - " + content);}public void undo() {if (currentState != null) {System.out.println("撤销操作: " + currentState.type);// 找到前一个操作if (currentState == operationHistory) {currentState = null;} else {ListNode prev = operationHistory;while (prev.next != currentState) {prev = prev.next;}currentState = prev;}}}public void redo() {if (currentState == null && operationHistory != null) {currentState = operationHistory;System.out.println("重做操作: " + currentState.type);} else if (currentState != null && currentState.next != null) {currentState = currentState.next;System.out.println("重做操作: " + currentState.type);}}
}

9. 性能分析与优化

9.1 时间复杂度对比

方法	时间复杂度	空间复杂度	优点	缺点
迭代法	O(n)	O(1)	空间效率高，性能稳定	代码稍长
递归法	O(n)	O(n)	代码简洁，思路清晰	可能栈溢出

9.2 性能测试代码

/*** 性能测试类*/
public class PerformanceTest {public static void comparePerformance() {int[] sizes = {100, 1000, 10000, 100000};System.out.println("链表大小\t迭代法(ns)\t递归法(ns)\t性能比");System.out.println("================================================");for (int size : sizes) {ListNode list1 = createLargeList(size);ListNode list2 = copyList(list1);// 测试迭代法long start1 = System.nanoTime();new Solution().reverseList(list1);long end1 = System.nanoTime();long iterativeTime = end1 - start1;// 测试递归法long start2 = System.nanoTime();try {new RecursiveSolution().reverseList(list2);long end2 = System.nanoTime();long recursiveTime = end2 - start2;double ratio = (double) recursiveTime / iterativeTime;System.out.printf("%d\t\t%d\t\t%d\t\t%.2f\n", size, iterativeTime, recursiveTime, ratio);} catch (StackOverflowError e) {System.out.printf("%d\t\t%d\t\t栈溢出\t\t-\n", size, iterativeTime);}}}private static ListNode createLargeList(int size) {if (size <= 0) return null;ListNode head = new ListNode(1);ListNode curr = head;for (int i = 2; i <= size; i++) {curr.next = new ListNode(i);curr = curr.next;}return head;}private static ListNode copyList(ListNode head) {if (head == null) return null;ListNode newHead = new ListNode(head.val);ListNode newCurr = newHead;ListNode curr = head.next;while (curr != null) {newCurr.next = new ListNode(curr.val);newCurr = newCurr.next;curr = curr.next;}return newHead;}
}