Java雙指標法怎麼使用

前言

通常用在線性的資料結構中，例如鍊錶和陣列。

指標其實就是資料的索引或是鍊錶的結點。兩個指針朝著左右兩個方向移動，直到滿足搜尋條件。雙指針可分為同向雙指針、異向雙指針、快慢指針、滑動視窗。根據需求選擇雙指標的模型，例如刪除陣列或鍊錶中重複的元素，同向雙指標（線性表前提是有序的）； 快慢指標一般用在鍊錶中，例如求鍊錶的中點、判斷鍊錶是否有環、判斷鍊錶換的起點、環的長度、以及鍊錶的倒數第K個元素； 例如在二分查找中用的就是異向雙指針； 滑動窗口其實就是在數組或者鍊錶某個區間上的操作，例如求最長/最短子字串或是特定子字串的長度要求。

1.判斷鍊錶是否有環

力扣141題

#給你一個鍊錶的頭節點 head ，判斷鍊錶中是否有環。

如果鍊錶中有某個節點，可以透過連續追蹤 next 指標再次到達，則鍊錶中存在環。為了表示給定鍊錶中的環，評測系統內部使用整數 pos 來表示鍊錶尾連接到鍊錶中的位置（索引從 0 開始）。注意：pos 不作為參數進行傳遞 。只是為了標識鍊錶的實際情況。

如果鍊錶中存在環 ，則傳回 true 。否則，傳回 false 。

程式碼實作

public class Solution {
    //快慢指针法
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        ListNode fast = head;
        ListNode low = head;
        while(fast != null && fast.next != null){
            fast = fast.next.next;
            low = low.next;
            //此时相遇了
            if(fast == low){
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

2.找出鍊錶中間的元素

力扣876題

給定一個頭結點為head 的非空單鍊錶，傳回鍊錶的中間結點。

如果有兩個中間結點，則傳回第二個中間結點。

程式實作

  //快慢指针法
    public ListNode middleNode(ListNode head) {
        ListNode low = head,fast = head;
        while(fast != null && fast.next != null){
            //慢指针走一步
            low = low.next;
            //快指针走两步
            fast = fast.next.next;
        }
        //奇数，fast.next = null时，low即为所求
        //偶数，fsat == null时，low即为所求
        return low;
    }

3.奇偶排序前奇後偶

力扣328題

給定單鍊錶的頭節點head ，將所有索引為奇數的節點和索引為偶數的節點分別組合在一起，然後傳回重新排序的清單。

第一個節點的索引被認為是 奇數 ， 第二個節點的索引為 偶數 ，以此類推。

程式碼實作

 public ListNode oddEvenList(ListNode head) {
        if(head == null){
            return head;
        }
        ListNode fastHead = head.next;
        ListNode lowTail = head;//奇数链表
        ListNode fastTail = fastHead;//偶数链表
        while(fastTail != null && fastTail.next != null){
            //更新奇数节点时，奇数节点的后一个节点需要指向偶数节点的后一个节点
            lowTail.next = fastTail.next;
            lowTail = lowTail.next;
           // 更新偶数节点时，偶数节点的后一个节点需要指向奇数节点的后一个节点
            fastTail.next = lowTail.next;
            fastTail = fastTail.next;
        }
        //合并两个链表
        lowTail.next = fastHead;
        return head;
    }

4.刪除排序鍊錶的重複元素

力扣82題

給定一個已排序的鍊錶的頭head ， 刪除原始鍊錶中所有重複數字的節點，只留下不同的數字。傳回已排序的鍊錶

程式碼實作

 public ListNode deleteDuplicates(ListNode head) {
        //虚拟头节点法
        ListNode dummyHead = new ListNode(-1);
        dummyHead.next = head;
        ListNode prev = dummyHead;
        ListNode cur = prev.next;
        while(cur != null){
            //引入next指针
            ListNode next = cur.next;
            if(next == null){
                //只有一个元素
                return dummyHead.next;
            }
            if(cur.val != next.val){
                //cur不是重复节点，三指针都移动
                cur = cur.next;
                prev = prev.next;
            }else{
                //让next指针一直向后移动，直到与cur.val不相等的节点位置
                while(next != null && cur.val == next.val){
                    next = next.next;
                }
                // 此时next指向了第一个不重复的元素
                // 此时prev - next之间所有重复元素全部删除
                prev.next = next;
                cur = next;
            }
        }
        return dummyHead.next;
    }

5.三數總和

力扣15題

給你一個包含n 個整數的陣列nums，判斷nums 中是否存在三個元素a，b，c ，使得a b c = 0 ？請你找出所有和為 0 且不重複的三元組。

注意：答案中不可以包含重複的三元組。

程式碼實作

 public List<List<Integer>> threeSum(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        Arrays.sort(nums);
        List<List<Integer>> ans = new ArrayList<List<Integer>>();
        // 枚举 a
        for (int first = 0; first < n; ++first) {
            // 需要和上一次枚举的数不相同
            if (first > 0 && nums[first] == nums[first - 1]) {
                continue;
            }
            // c 对应的指针初始指向数组的最右端
            int third = n - 1;
            int target = -nums[first];
            // 枚举 b
            for (int second = first + 1; second < n; ++second) {
                // 需要和上一次枚举的数不相同
                if (second > first + 1 && nums[second] == nums[second - 1]) {
                    continue;
                }
                // 需要保证 b 的指针在 c 的指针的左侧
                while (second < third && nums[second] + nums[third] > target) {
                    --third;
                }
                // 如果指针重合，随着 b 后续的增加
                // 就不会有满足 a+b+c=0 并且 b<c 的 c 了，可以退出循环
                if (second == third) {
                    break;
                }
                if (nums[second] + nums[third] == target) {
                    List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
                    list.add(nums[first]);
                    list.add(nums[second]);
                    list.add(nums[third]);
                    ans.add(list);
                }
            }
        }
        return ans;
    }

6.分割鍊錶

力扣面試題02.04

給你一個鍊錶的頭節點head 和一個特定值x ，請你將鍊錶分隔，使得所有小於x 的節點都出現在大於或等於x 的節點之前。

你不需要 保留 每個分區中各節點的初始相對位置。

程式碼實作

 public ListNode partition(ListNode head, int x) {
        // 创建small和big两个小链表的头节点
        ListNode smallHead = new ListNode(-1);
        ListNode bigHead = new ListNode(-1);
        // 按照升序插入，因此需要尾插
        // 分别指向两个子链表的尾部
        ListNode smallTail = smallHead;
        ListNode bigTail = bigHead;
        //遍历原链表，根据值放入small和big链表中
        while(head != null){
            if(head.val < x){
                smallTail.next = head;
                smallTail = head;
            }else{
                bigTail.next = head;
                bigTail = head;
            }
            head = head.next;
        }
        bigTail.next = null;
        //拼接小链表和大链表
        smallTail.next = bigHead.next;
        return smallHead.next;
    }

7.合併兩個有順序的陣列

力扣88題

給你兩個按非遞減順序排列的整數數組nums1 和nums2，另有兩個整數m 和n ，分別表示nums1 和nums2 中的元素數目。請你 合併 nums2 到 nums1 中，使合併後的陣列同樣按 非遞減順序 排列。

注意：最終，合併後陣列不應由函數傳回，而是儲存在陣列 nums1 中。為了因應這種情況，nums1 的初始長度為 m n，其中前 m 個元素表示應合併的元素，後 n 個元素為 0 ，應忽略。 nums2 的長度為 n 。

程式碼實作

public void merge(int[] nums1, int m, int[] nums2, int n) {
        int p1 = 0, p2 = 0;
        int[] sorted = new int[m + n];
        int cur;
        while (p1 < m || p2 < n) {
            if (p1 == m) {
                cur = nums2[p2++];
            } else if (p2 == n) {
                cur = nums1[p1++];
            } else if (nums1[p1] < nums2[p2]) {
                cur = nums1[p1++];
            } else {
                cur = nums2[p2++];
            }
            sorted[p1 + p2 - 1] = cur;
        }
        for (int i = 0; i != m + n; ++i) {
            nums1[i] = sorted[i];
        }
    }

8.兩數總和—輸入有序數組

力扣167題

#給你一個下標從1 開始的整數數組numbers ，該數組已按非遞減順序排列，請你從數組中找出滿足相加之和等於目標數target 的兩個數。如果設這兩個數分別是 numbers[index1] 和 numbers[index2] ，則 1 <= index1 < index2 <= numbers.length 。

以長度為 2 的整數陣列 [index1, index2] 的形式傳回這兩個整數的下標 index1 和 index2。

程式碼實作

 public int[] twoSum(int[] numbers, int target) {
        int low = 0, high = numbers.length - 1;
        while (low < high) {
            int sum = numbers[low] + numbers[high];
            if (sum == target) {
                return new int[]{low + 1, high + 1};
            } else if (sum < target) {
                ++low;
            } else {
                --high;
            }
        }
        return new int[]{-1, -1};
    }

9.長度最小的子數組

（力扣209）給定一個含有n 個正整數的數組和一個正整數target 。

找出该数组中满足其和 ≥ target 的长度最小的 连续子数组 [numsl, numsl+1, …, numsr-1, numsr] ，并返回其长度。如果不存在符合条件的子数组，返回 0

代码实现

//滑动窗口法
 public int minSubArrayLen(int s, int[] nums) {
        int n = nums.length;
        if (n == 0) {
            return 0;
        }
        int ans = Integer.MAX_VALUE;
        int start = 0, end = 0;
        int sum = 0;
        while (end < n) {
            sum += nums[end];
            while (sum >= s) {
                ans = Math.min(ans, end - start + 1);
                sum -= nums[start];
                start++;
            }
            end++;
        }
        return ans == Integer.MAX_VALUE ? 0 : ans;
    }

10.排序链表

给你链表的头结点 head ，请将其按 升序 排列并返回 排序后的链表 。

解题思路

通过递归实现链表归并排序，有以下两个环节：

1，分割 cut 环节： 找到当前链表中点，并从中点将链表断开（以便在下次递归 cut 时，链表片段拥有正确边界）； 我们使用 fast,slow 快慢双指针法，奇数个节点找到中点，偶数个节点找到中心左边的节点。 找到中点 slow 后，执行 slow.next = None 将链表切断。 递归分割时，输入当前链表左端点 head 和中心节点 slow 的下一个节点 tmp(因为链表是从 slow 切断的)。 cut 递归终止条件： 当head.next == None时，说明只有一个节点了，直接返回此节点。

2，合并 merge 环节： 将两个排序链表合并，转化为一个排序链表。 双指针法合并，建立辅助ListNode h 作为头部。 设置两指针 left, right 分别指向两链表头部，比较两指针处节点值大小，由小到大加入合并链表头部，指针交替前进，直至添加完两个链表。 返回辅助ListNode h 作为头部的下个节点 h.next。

代码实现

public ListNode sortList(ListNode head) {
        if (head == null || head.next == null)
            return head;
        ListNode fast = head.next, slow = head;
        while (fast != null && fast.next != null) {
            slow = slow.next;
            fast = fast.next.next;
        }
        ListNode tmp = slow.next;
        slow.next = null;
        ListNode left = sortList(head);
        ListNode right = sortList(tmp);
        ListNode h = new ListNode(0);
        ListNode res = h;
        while (left != null && right != null) {
            if (left.val < right.val) {
                h.next = left;
                left = left.next;
            } else {
                h.next = right;
                right = right.next;
            }
            h = h.next;
        }
        h.next = left != null ? left : right;
        return res.next;
    }

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