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Leetcode 18 java

news 2025/9/13 9:16:39

1141. 环形链表1 题目

1141. 环形链表

给你一个链表的头节点 head ，判断链表中是否有环。

如果链表中有某个节点，可以通过连续跟踪 next 指针再次到达，则链表中存在环。为了表示给定链表中的环，评测系统内部使用整数 pos 来表示链表尾连接到链表中的位置（索引从 0 开始）。注意：pos 不作为参数进行传递 。仅仅是为了标识链表的实际情况。

如果链表中存在环 ，则返回 true 。否则，返回 false 。

示例 1：

输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

示例 2：

输入：head = [1,2], pos = 0
输出：true
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

示例 3：

输入：head = [1], pos = -1
输出：false
解释：链表中没有环。

提示：

链表中节点的数目范围是 [0, 104]
-105 <= Node.val <= 105
pos 为 -1 或者链表中的一个 有效索引 。

进阶：你能用 O(1)（即，常量）内存解决此问题吗？

2 我的想法

判断环的思想就是，用一个追踪指针从头遍历到尾指针，存在环的意思是：如果在pos所指示的位置有追踪指针，那么追踪指针和尾指针会交汇。

也就是说：

1.如果有环，尾指针指向pos所在节点

2.如果没有环，第一种情况是单个元素，第二种情况是尾指针一定不指向pos所在节点

/*** Definition for singly-linked list.* class ListNode {*     int val;*     ListNode next;*     ListNode(int x) {*         val = x;*         next = null;*     }* }*/
public class Solution {public boolean hasCycle(ListNode head) {}
}

难道写一个尾指针.next是否与pos节点一致的判断就好了吗？

具体要怎么实现呢，其实链表对应节点所在val值要是一样的呢？我怎么表示pos节点，我这样的想法可行吗，如何写出合适的java代码？如果是用遍历的话，空间复杂度是O(1),时间复杂度是O(n)对吗？写一个for循环加断？

3 实现

关于你的想法的分析

你提到 "写一个尾指针.next 是否与 pos 节点一致的判断"，这个思路存在几个问题：

pos 不可用：题目明确说明 pos 是系统内部使用的，不会作为参数传递给我们的函数，所以我们无法直接获取和使用 pos 值
尾指针不存在：在有环的链表中，不存在传统意义上的 "尾指针"（因为链表会循环，没有终点）
val 值可能重复：如你所担心的，不同节点可能有相同的 val 值，无法通过 val 来判断是否是同一个节点

所以我们需要一种不依赖 pos、不依赖节点值、且空间效率高的方法。

详细解题思路

最经典的解法是 "快慢指针法"，也叫 "龟兔赛跑算法"，思路如下：

指针初始化：
- 定义两个指针，都从链表头部出发
- 慢指针 (slow) 每次只移动 1 步
- 快指针 (fast) 每次移动 2 步
核心逻辑：
- 如果链表中没有环：快指针会先到达链表末尾（指向 null）
- 如果链表中有环：两个指针最终一定会在环中相遇
  - 因为快指针比慢指针移动得快，进入环后会逐渐追上慢指针
终止条件：
- 若快指针到达 null，返回 false（无环）
- 若快慢指针相遇，返回 true（有环）

算法为什么有效？

假设链表存在环，当慢指针刚进入环时，快指针已经在环内某个位置。此时可以看作快指针在追赶慢指针：

快指针每次比慢指针多走 1 步
相当于慢指针静止，快指针以每秒 1 步的速度追赶
只要在环内，快指针最终一定会追上慢指针

/*** Definition for singly-linked list.* class ListNode {*     int val;*     ListNode next;*     ListNode(int x) {*         val = x;*         next = null;*     }* }*/
public class Solution {public boolean hasCycle(ListNode head) {// 处理边界情况：空链表一定没有环if (head == null) {return false;}// 初始化快慢指针ListNode slow = head;      // 慢指针，每次走1步ListNode fast = head.next; // 快指针，每次走2步// 当快慢指针不相等时继续循环while (slow != fast) {// 快指针到达末尾，说明没有环// 注意要先判断fast是否为null，再判断fast.nextif (fast == null || fast.next == null) {return false;}// 慢指针移动1步slow = slow.next;// 快指针移动2步fast = fast.next.next;}// 循环结束，说明快慢指针相遇，存在环return true;}
}

复杂度分析

时间复杂度：O (n)，其中 n 是链表中的节点数
- 无环情况：快指针会遍历 n/2 个节点就到达末尾
- 有环情况：最坏情况下，两个指针在环中最多遍历 n 个节点就会相遇
空间复杂度：O (1)，只使用了两个指针，不随链表长度变化，满足题目进阶要求

其他可能的解法（但不满足 O (1) 空间）

哈希表法：
- 遍历链表，将每个节点存入哈希表
- 每次访问节点前先检查哈希表，如果已存在则有环
- 空间复杂度 O (n)，不满足进阶要求
标记法：
- 遍历链表时给每个访问过的节点做标记
- 如果遇到已标记的节点则有环
- 需要修改节点结构，实际中不常用

综上，快慢指针法是解决这个问题的最优解，既高效又节省空间。

4 两种解法

先回顾核心问题：为什么判断链表有环不能靠 “节点值” 或 “pos”？

在理解方法前，先明确两个关键前提（也是你之前担心的点）：

pos 是 “系统内部标记”，我们拿不到：题目里的 pos 只是用来给我们看 “环接在哪”，实际写代码时，函数参数只有head，根本没有 pos 这个值，所以没法用 “尾指针.next == pos 节点” 这种思路。
节点值可能重复，不能作为判断依据：比如链表是1→2→1→2（有环），两个 “1” 节点值相同，但却是不同节点，靠值判断会误判；反之，不同节点值也可能组成环，所以 “值” 完全不可靠。

这也是为什么我们需要「哈希表」和「快慢指针」这两种不依赖 “值” 或 “pos” 的方法 —— 它们判断的是 “节点本身是否被重复访问”。

方法一：哈希表法 ——“给走过的节点拍个照，再遇到就是有环”

核心思路：用 “哈希表” 当 “相册”，记录所有走过的节点

就像你逛公园时，每经过一个景点就拍张照存手机里。如果逛着逛着，发现眼前的景点 “手机里早就有照片了”，说明你绕回了之前的路（有环）；如果一直走到公园出口（链表末尾，head == null），都没重复照片，说明没环。

步骤拆解（对应代码）

我们用 Java 的HashSet（哈希表的一种）来实现 “相册”，因为HashSet有个特性：添加重复元素时会返回false，这正好帮我们判断 “是否见过这个节点”。

public class Solution {public boolean hasCycle(ListNode head) {// 1. 初始化哈希表（相册），存的是“节点本身”，不是节点值！Set<ListNode> seen = new HashSet<ListNode>();// 2. 遍历链表：只要当前节点不为null（没走到出口），就继续走while (head != null) {// 3. 尝试把当前节点加入哈希表：//    - 如果添加失败（返回false），说明之前见过这个节点→有环，返回true//    - 如果添加成功，说明是第一次见，继续往下走if (!seen.add(head)) {return true;}// 4. 移动到下一个节点（逛下一个景点）head = head.next;}// 5. 走出循环说明head == null（走到出口），没环，返回falsereturn false;}
}

关键细节：为什么存 “ListNode” 而不是 “val”？

存ListNode（节点对象）：每个节点对象在内存中都有唯一的 “地址”，哈希表判断重复时，比较的是 “地址”，能确保 “同一个节点才会被判定为重复”。
存val（节点值）：如之前说的，值可能重复，会导致 “不同节点被误判为重复”，比如1→2→1（无环），第二个 “1” 会被误判为重复，返回错误的true。

复杂度理解

时间复杂度 O (N)：最坏情况是 “链表无环”，我们要把所有 N 个节点都遍历一遍，每个节点的 “添加” 和 “判断” 操作在哈希表中是 O (1)，所以总时间是 O (N)。
空间复杂度 O (N)：最坏情况是 “链表无环”，我们要把 N 个节点都存进哈希表，所以空间是 O (N)—— 这也是它的缺点，不如快慢指针省空间。

方法二：快慢指针法（Floyd 判圈算法）——“让兔子和乌龟赛跑，追上就是有环”

核心思路：用两个速度不同的指针，模拟 “兔子（快）” 和 “乌龟（慢）” 在链表上跑

如果链表没环：兔子跑得比乌龟快，会先跑到链表末尾（fast == null或fast.next == null），永远追不上乌龟。
如果链表有环：兔子会先进入环，然后在环里绕圈；等乌龟也进入环后，兔子因为速度快，总会在某个时刻追上乌龟（两个指针指向同一个节点）。

步骤拆解（对应代码）

先明确指针规则：

慢指针（乌龟）：每次走 1 步（slow = slow.next）
快指针（兔子）：每次走 2 步（fast = fast.next.next）

public class Solution {public boolean hasCycle(ListNode head) {// 1. 处理边界：空链表（head==null）或只有1个节点（head.next==null），肯定没环if (head == null || head.next == null) {return false;}// 2. 初始化指针：慢指针从head出发，快指针从head.next出发（关键细节，后面解释）ListNode slow = head;ListNode fast = head.next;// 3. 循环：只要快慢指针没相遇，就继续跑while (slow != fast) {// 4. 检查快指针是否到末尾：如果fast或fast.next是null，说明没环if (fast == null || fast.next == null) {return false;}// 5. 乌龟走1步，兔子走2步slow = slow.next;fast = fast.next.next;}// 6. 跳出循环→快慢指针相遇，说明有环，返回truereturn true;}
}

关键细节 1：为什么初始时快指针要从`head.next`出发，而不是和慢指针一起从`head`出发？

这是为了适配while循环的 “先判断，后执行” 逻辑：

如果两个指针都从head出发：初始时slow == fast，while (slow != fast)的条件直接不满足，循环不执行，直接返回false—— 但此时如果链表有环（比如head自己指向自己），就会误判。
快指针从head.next出发：初始时slow = head，fast = head.next，slow != fast，循环能正常开始；即使链表是head自环（head.next = head），第一次循环时：
- slow会走到head.next = head
- fast会走到head.next.next = head.next = head
- 此时slow == fast，跳出循环返回true，判断正确。

如果想用 “两个指针都从head出发”，可以把while改成do-while（先执行，后判断），代码如下（逻辑完全等价，只是循环方式不同）：

public boolean hasCycle(ListNode head) {if (head == null) return false;ListNode slow = head, fast = head;// do-while：先移动，再判断是否相遇do {// 快指针到末尾，没环if (fast == null || fast.next == null) return false;slow = slow.next;fast = fast.next.next;} while (slow != fast);// 相遇，有环return true;
}

关键细节 2：为什么快指针走 2 步，不是 3 步、4 步？

核心是 “快指针速度比慢指针快”，走 2 步是最简洁的选择：

走 2 步时，每次循环快慢指针的距离会减少 1（比如初始距离 1，下次距离 0；初始距离 2，下次距离 1，再下次距离 0），必然会相遇。
走 3 步、4 步也能实现，但代码会更复杂（比如要多判断fast.next.next是否为 null），且没有性能优势，所以 2 步是最优选择。

复杂度理解

时间复杂度 O (N)：
- 无环情况：快指针走 N/2 步就到末尾（因为每次走 2 步），时间 O (N)。
- 有环情况：最坏是 “环很小，乌龟进环前要走很多步”，但总体来看，快指针最多绕环 1 圈就能追上乌龟，总步数还是 O (N)。
空间复杂度 O (1)：只用到slow和fast两个指针，不管链表多长，都只占 2 个指针的空间，完全符合题目 “O (1) 内存” 的进阶要求。

两种方法的对比：怎么选？

对比维度	哈希表法	快慢指针法
核心逻辑	记录已访问节点，看是否重复	速度差导致相遇
时间复杂度	O(N)	O(N)
空间复杂度	O (N)（需要存节点）	O (1)（只需要两个指针）
代码简洁度	较简洁（依赖哈希表 API）	稍复杂（需处理指针初始化）
适用场景	除了判断环，还想记录节点	只需要判断环，追求省空间

实际面试中，快慢指针法是更优的选择—— 因为它满足 O (1) 空间，也是面试官更想考察的思路（能体现对链表特性的深入理解）；哈希表法更偏向 “直观思路”，适合作为辅助理解的方法。

通过这两个方法的拆解，你应该能彻底明白 “判断链表有环” 的核心逻辑了～下次遇到类似问题，不管是用哈希表还是快慢指针，都能清晰地写出代码啦！

【解释：if (!seen.add(head))】

我们来详细解释一下你看不懂的这行代码：if (!seen.add(head))

这句话的作用

这句话的意思是：尝试把当前节点head添加到哈希表seen中，如果添加失败（说明这个节点已经在哈希表中存在了），就返回true（表示有环）

逐步拆解

seen是一个HashSet<ListNode>类型的集合，用来存储我们已经访问过的节点
seen.add(head)这个方法的特性：
- 当我们往 HashSet 中添加元素时，如果这个元素之前不存在，就会添加成功，返回true
- 如果这个元素之前已经存在，就会添加失败，返回false
!是逻辑非运算符，用来取反：
- 如果seen.add(head)返回true（添加成功，是新节点），那么!true就是false，不会进入 if 语句
- 如果seen.add(head)返回false（添加失败，节点已存在），那么!false就是true，会进入 if 语句，执行return true