142. 环形链表 II：LeetCode 难题解析

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2023-09-12 03:04:10

探索环形链表的奥秘：如何检测和识别

在计算机科学领域，链表是一种广泛用于存储和组织数据结构的线性数据结构。但是，当链表中出现环形结构时，可能会导致各种复杂问题。在 LeetCode 的第 142 道题目中，我们的任务就是找出链表中是否存在环，如果存在，则返回环的起始节点。

环形链表的本质

环形链表是一种特殊类型的链表，其中某个节点的下一个指针指向链表中的某个先前节点，形成一个闭环。这种结构导致了遍历链表时的无限循环，因为指针将永远不会到达链表的末尾。

快慢指针法的原理

为了解决环形链表问题，我们引入了一种称为“快慢指针法”的巧妙算法。该方法依赖于以下原则：

设置两个指针：一个称为快指针，另一个称为慢指针。
快指针每次向前移动两个节点，而慢指针每次向前移动一个节点。
如果快指针和慢指针在链表中相遇，则说明链表中存在环。

Python 代码实现

使用快慢指针法，我们可以编写以下 Python 代码来解决环形链表问题：

def detect_cycle(head):
    """
    Detect if a linked list has a cycle and return the starting node of the cycle.

    Args:
        head (ListNode): The head of the linked list.

    Returns:
        ListNode or None: The starting node of the cycle if exists, otherwise None.
    """

    # Initialize fast and slow pointers
    slow = head
    fast = head

    # Check if there is a cycle
    while fast and fast.next:
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next

        if slow == fast:
            break

    # If there is no cycle, return None
    if not fast or not fast.next:
        return None

    # Move slow pointer to the head of the linked list
    slow = head

    # Move slow and fast pointers until they meet again
    while slow != fast:
        slow = slow.next
        fast = fast.next

    # Return the starting node of the cycle
    return slow

代码分析

初始化快慢指针： 我们用 slow 和 fast 分别表示慢指针和快指针，并将其都指向链表头。
检测环形结构： 在 while 循环中，我们交替地移动 slow 和 fast 指针，观察它们是否相遇。如果它们相遇，则说明链表中存在环。
确定环的起始节点： 一旦检测到环，我们将 slow 指针移回链表头。然后，我们同时移动 slow 和 fast 指针，直到它们再次相遇。相遇点就是环的起始节点。

结论

快慢指针法提供了一种高效且优雅的方法来检测和识别环形链表。它利用了链表的特殊结构，使我们能够在 O(n) 时间复杂度内解决问题。

常见问题解答