LeetCode 143. 重排链表 | Python

143. 重排链表

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题目来源：力扣（LeetCode）https://leetcode-cn.com/problems/reorder-list/

题目

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给定一个单链表 $L:L_0\to L_1\to ...\to L_{n-1}\to L_n$
将其重新排列后变为：$L_0\to L_n\to L_1\to L_{n-1}\to L_2\to L_{n-2}\to ...$

你不能只是单纯的改变节点内部的值，而是需要实际的进行节点交换。

示例 1:

给定链表 1->2->3->4, 重新排列为 1->4->2->3.

示例 2:

给定链表 1->2->3->4->5, 重新排列为 1->5->2->4->3.

解题思路

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思路：线性表、切分链表

先看题目，题目中给出一个单链表，要求重新排列成新的链表。先看示例 2：

给定链表 1->2->3->4->5, 重新排列为 1->5->2->4->3.

可以看出这里重新排列的要求是，链表首节点指向末尾节点，末尾节点紧接着指向第二个节点，第二个节点又指向倒数第二个节点交换 … 依次类推。其中这里需要注意的是：【不能只是单纯的改变节点内部的值，而是需要实际的进行节点交换。】

这里先说下链表，在链表中，每次需要取出某个数据时，都需要遍历链表，无法随意访问。

在这道题目当中，需要频繁取数据，直接使用链表会非常麻烦。

线性表

那么，这里我们可以考虑使用线性表存储题目给定的单链表，然后利用线性表可随意访问数据的特性，访问指定元素，交换节点，重建链表。

这里直接看具体的代码实现。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reorderList(self, head: ListNode) -> None:
        """
        Do not return anything, modify head in-place instead.
        """
        if not head:
            return

        # 线性表存储链表节点
        lst = []
        node = head
        while node:
            lst.append(node)
            node = node.next
        
        # 定义指针指向首尾，开始取节点重建链表
        start = 0
        end = len(lst) - 1
        while start < end:
            # 重新排列
            lst[start].next = lst[end]
            start += 1
            if start == end:
                break
            
            lst[end].next = lst[start]
            end -= 1
        
        lst[start].next = None

复杂度分析

时间复杂度：$O(N)$，$N$ 表示链表的节点数。

空间复杂度：$O(N)$，$N$ 表示链表的节点数，这里主要是线性表的使用空间。

切分链表

结合前面的代码实现，再看示例 2，

给定链表 1->2->3->4->5, 重新排列为 1->5->2->4->3.

我们可以发现，重新排列的结果，可以看成原链表从中间节点分成两部分，然后将右边部分逆序之后，两部分合并成新的链表。

就以上面示例 2 来说明，

给定链表 1->2->3->4->5

此时从链表中间节点进行切分，

左边部分 1->2->3
右边部分 4->5

将右边部分进行逆序，此时

左边部分         1->2->3
右边部分（逆序后） 5->4

现在将两部分依次合并，

合并后 1->5->2->4->3

这里就是这个方法的大致思路：

• 先找到原链表的中间节点，以此将原链表划分为左、右两部分（使用快慢指针）；
• 然后将右边部分进行逆序（迭代+双指针）；
• 最后将左边部分与逆序后的右边部分依次合并。

具体的代码实现如下。

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reorderList(self, head: ListNode) -> None:
        """
        Do not return anything, modify head in-place instead.
        """
        def search_middle_node(head):
            """查找链表中间节点
            """
            # 利用快慢指针
            slow = head
            fast = head
            while fast.next and fast.next.next:
                slow = slow.next
                fast = fast.next.next
            
            return slow
        
        def reverse_list(head):
            """反转链表
            """
            # 迭代+双指针
            pre = None
            cur = head
            while cur:
                # cur.next, pre, cur = pre, cur, cur.next
                tmp = cur.next
                cur.next = pre
                pre = cur
                cur = tmp
            
            return pre

        def merge_list(lst1, lst2):
            """合并链表
            """
            while lst1 and lst2:
                tmp_lst1 = lst1.next
                tmp_lst2 = lst2.next

                # 依次合并
                lst1.next = lst2
                lst1 = tmp_lst1

                lst2.next = lst1
                lst2 = tmp_lst2
        
        if not head:
            return
        
        # 查找中间节点
        mid = search_middle_node(head)
        # 切分
        lst1 = head
        lst2 = mid.next
        mid.next = None
        # 逆序 lst2
        lst2 = reverse_list(lst2)
        # 合并两个链表
        merge_list(lst1, lst2)

复杂度分析

时间复杂度：$O(N)$，$N$ 是链表的节点数。

空间复杂度：$O(1)$，只用了常数个变量。

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