环形链表II
1.题目内容
给定一个链表的头节点 head ，返回链表开始入环的第一个节点。 如果链表无环，则返回 null。
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）。如果 pos 是 -1，则在该链表中没有环。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。
不允许修改 链表。
示例 1：
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| 输入：head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出：返回索引为 1 的链表节点
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。
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示例 2：
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| 输入：head = [1,2], pos = 0
输出：返回索引为 0 的链表节点
解释：链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。
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示例 3：
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3
| 输入：head = [1], pos = -1
输出：返回 null
解释：链表中没有环。
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提示：
- 链表中节点的数目范围在范围
[0, 104] 内
-105 <= Node.val <= 105pos 的值为 -1 或者链表中的一个有效索引
2.解法
（1）哈希表
思路及算法
一个非常直观的思路是：我们遍历链表中的每个节点，并将它记录下来；一旦遇到了此前遍历过的节点，就可以判定链表中存在环。借助哈希表可以很方便地实现。
代码
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| //C++
class Solution {
public:
ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
unordered_set<ListNode *> visited;
while (head != nullptr) {
if (visited.count(head)) {
return head;
}
visited.insert(head);
head = head->next;
}
return nullptr;
}
};
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| //Java
public class Solution {
public ListNode detectCycle(ListNode head) {
ListNode pos = head;
Set<ListNode> visited = new HashSet<ListNode>();
while (pos != null) {
if (visited.contains(pos)) {
return pos;
} else {
visited.add(pos);
}
pos = pos.next;
}
return null;
}
}
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复杂度分析
（2）快慢指针
思路及算法
我们使用两个指针，fast 与 slow。它们起始都位于链表的头部。随后，slow 指针每次向后移动一个位置，而 fast 指针向后移动两个位置。如果链表中存在环，则 fast 指针最终将再次与 slow 指针在环中相遇。
如下图所示，设链表中环外部分的长度为 a。slow 指针进入环后，又走了 b 的距离与 fast 相遇。此时，fast 指针已经走完了环的 n 圈，因此它走过的总距离为 a+n(b+c)+b=a+(n+1)b+nc。
根据题意，任意时刻，fast 指针走过的距离都为 slow 指针的 2 倍。因此，我们有
a+(n+1)b+nc=2(a+b) ⟹ a=c+(n−1)(b+c)
有了 a=c+(n−1)(b+c) 的等量关系，我们会发现：从相遇点到入环点的距离加上 n−1 圈的环长，恰好等于从链表头部到入环点的距离。
因此，当发现 slow 与 fast 相遇时，我们再额外使用一个指针 ptr。起始，它指向链表头部；随后，它和 slow 每次向后移动一个位置。最终，它们会在入环点相遇。
代码
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| //C++
class Solution {
public:
ListNode *detectCycle(ListNode *head) {
ListNode *slow = head, *fast = head;
while (fast != nullptr) {
slow = slow->next;
if (fast->next == nullptr) {
return nullptr;
}
fast = fast->next->next;
if (fast == slow) {
ListNode *ptr = head;
while (ptr != slow) {
ptr = ptr->next;
slow = slow->next;
}
return ptr;
}
}
return nullptr;
}
};
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| //Java
public class Solution {
public ListNode detectCycle(ListNode head) {
if (head == null) {
return null;
}
ListNode slow = head, fast = head;
while (fast != null) {
slow = slow.next;
if (fast.next != null) {
fast = fast.next.next;
} else {
return null;
}
if (fast == slow) {
ListNode ptr = head;
while (ptr != slow) {
ptr = ptr.next;
slow = slow.next;
}
return ptr;
}
}
return null;
}
}
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复杂度分析
时间复杂度：O(N)，其中 N 为链表中节点的数目。在最初判断快慢指针是否相遇时，slow 指针走过的距离不会超过链表的总长度；随后寻找入环点时，走过的距离也不会超过链表的总长度。因此，总的执行时间为 O(N)+O(N)=O(N)。
空间复杂度：O(1)。我们只使用了 slow,fast,ptr 三个指针。