【证明】快慢指针判断链表有环、寻找环入口、计算环大小的原理

转载:https://blog.csdn.net/donghuaan/article/details/78988987

问题:

给定一个链表: 
1. 判断链表是否有环。 
2. 如果链表有环,请找出环入口。 
3. 计算环的大小。

思路:快慢指针
        分别定义一个快指针fast和慢指针slow,快指针一次走两步,慢指针一次走一步。如果链表没有环,那么fast最终会指向nullptr;如果链表有环,那么快指针和慢指针最终会相遇。所以,如果最终fast == nullptr,那么判断链表无环;如果最终fast == slow,且fast != nullptr,那么链表有环。

  1. 第一步:快慢指针从头结点出发。如下图所示。蓝色表示快指针fast,红色表示慢指针slow。

《【证明】快慢指针判断链表有环、寻找环入口、计算环大小的原理》

  1. 第二步:慢指针slow走到了环入口,共走了k步。此时快指针fast越过了环入口的步数为delta。因为快指针可能绕着环走了很多圈,所以有k == delta + n * R,其中R为环的大小,n为快指针绕环走的步数。

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  1. 第三步:慢指针进入环中。因为快指针每次都比慢指针快一步,所以,快慢指针最后一定会相遇。【证明了必然会相遇】

  2. 第四步:计算快慢指针相遇位置。因为慢指针在刚进入环时距离快指针delta步,所以快指针还需要比慢指针多走R – delta步才能与慢指针相遇。又因为快指针每次走两步,所以快指针还需要走2(R – delta)步。那么,相遇位置为2(R – delta) + delta == 2R – delta,即,距离环入口delta处,与慢指针刚进入环时快指针所在位置对称。

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  1. 第五步:快指针重新从头结点开始走,速度为一次一步,与慢指针相同。可知,快指针走到环入口时,所需步数为k。刚好,k == delta + n * R,这也是慢指针在环中所走的距离。由快慢指针在环中的相遇位置可知,慢指针此时刚好走到了环入口,并与快指针相遇,此时,找到了环入口。【证明了能找到环入口。】

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  1. 第六步:如何求环大小。这个相对简单,在证明链表是否有环的过程中,快慢指针第一次相遇。此后,快指针继续按一次两步的速度走,慢指针按一次一步的速度走,并设置一个计数器count = 0,每走一次加1,。当快慢指针再次相遇时,快指针刚好比慢指针多走了R步,而计数器count == R。【计算了环大小】

核心代码

寻找环入口

LLNode * LinkedList::entranceOfLoop()
{
        LLNode * slow = pHead;
        LLNode * fast = pHead;

        while(fast && fast->pNext)
        {
                fast = fast->pNext->pNext;
                slow = slow->pNext;
                if(fast == slow) break;
        }

        if(!fast || !fast->pNext) return nullptr;

        fast = pHead;
        while(fast != slow)
        {
                fast = fast->pNext;
                slow = slow->pNext;
        }

        return fast;
}

计算环大小

    int LinkedList::sizeOfLoop()
    {
            LLNode * slow = pHead;
            LLNode * fast = pHead;

            while(fast && fast->pNext)
            {
                    fast = fast->pNext->pNext;
                    slow = pNext;
                    if(fast == slow) break;
            }

            if(!fast || !fast->pNext) return 0;

            int size = 1;
            fast = fast->pNext->pNext;
            slow = slow->pNext;
            while(fast != slow)
            {
                    ++size;
                    fast = fast->pNext->pNext;
                    slow = slow->pNext;
            }

            return size;
    }
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