LC 剑指 Offer 35. 复杂链表的复制

题目描述

这是 LeetCode 上的 剑指 Offer 35. 复杂链表的复制 ，难度为中等。

给你一个长度为 n 的链表，每个节点包含一个额外增加的随机指针 random，该指针可以指向链表中的任何节点或空节点。

构造这个链表的深拷贝。

深拷贝应该正好由 n 个全新节点组成，其中每个新节点的值都设为其对应的原节点的值。

新节点的 next 指针和 random 指针也都应指向复制链表中的新节点，并使原链表和复制链表中的这些指针能够表示相同的链表状态，复制链表中的指针都不应指向原链表中的节点。

例如，如果原链表中有 X 和 Y 两个节点，其中 X.random --> Y 。那么在复制链表中对应的两个节点 x 和 y ，同样有 x.random --> y 。

返回复制链表的头节点。

用一个由 n 个节点组成的链表来表示输入/输出中的链表。

每个节点用一个 [val, random_index] 表示：

val：一个表示 Node.val 的整数。
random_index：随机指针指向的节点索引（范围从 $0$ 到 $n-1$）；如果不指向任何节点，则为 null 。

你的代码只接受原链表的头节点 head 作为传入参数。

示例 1：

1
2
3

输入：head = [[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]

输出：[[7,null],[13,0],[11,4],[10,2],[1,0]]

示例 2：

1
2
3

输入：head = [[1,1],[2,1]]

输出：[[1,1],[2,1]]

示例 3：

1
2
3

输入：head = [[3,null],[3,0],[3,null]]

输出：[[3,null],[3,0],[3,null]]

示例 4：

输入：head = []

输出：[]

解释：给定的链表为空（空指针），因此返回 null。

提示：

$0 <= n <= 1000$
$-10000 <= Node.val <= 10000$

模拟 + 哈希表

如果不考虑 random 指针的话，对一条链表进行拷贝，我们只需要使用两个指针：一个用于遍历原链表，一个用于构造新链表（始终指向新链表的尾部）即可。这一步操作可看做是「创建节点 + 构建 next 指针关系」。

现在在此基础上增加一个 random 指针，我们可以将 next 指针和 random 指针关系的构建拆开进行：

先不考虑 random 指针，和原本的链表复制一样，创建新新节点，并构造 next 指针关系，同时使用「哈希表」记录原节点和新节点的映射关系；
对原链表和新链表进行同时遍历，对于原链表的每个节点上的 random 都通过「哈希表」找到对应的新 random 节点，并在新链表上构造 random 关系。

Java 代码：

class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
        Node t = head;
        Node dummy = new Node(-10010), cur = dummy;
        Map<Node, Node> map = new HashMap<>();
        while (head != null) {
            Node node = new Node(head.val);
            map.put(head, node);
            cur.next = node;
            cur = cur.next; head = head.next;
        }
        cur = dummy.next; head = t;
        while (head != null) {
            cur.random = map.get(head.random);
            cur = cur.next; head = head.next;
        }
        return dummy.next;
    }
}

C++ 代码：

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        Node* t = head;
        Node* dummy = new Node(-10010), *cur = dummy;
        unordered_map<Node*, Node*> map;
        while (head != nullptr) {
            Node* node = new Node(head->val);
            map[head] = node;
            cur->next = node;
            cur = cur->next; head = head->next;
        }
        cur = dummy->next; head = t;
        while (head != nullptr) {
            cur->random = map[head->random];
            cur = cur->next; head = head->next;
        }
        return dummy->next;
    }
};

Python 代码：

class Solution:
    def copyRandomList(self, head: 'Node') -> 'Node':
        t = head
        dummy = Node(-10010)
        cur = dummy
        mapping = {}
        while head:
            node = Node(head.val)
            mapping[head] = node
            cur.next = node
            cur, head = cur.next, head.next
        cur, head = dummy.next, t
        while head:
            if head.random in mapping:
                cur.random = mapping[head.random]
            cur, head = cur.next, head.next
        return dummy.next

时间复杂度：$O(n)$
空间复杂度：$O(n)$

模拟（原地算法）

显然时间复杂度上无法优化，考虑如何降低空间（不使用「哈希表」）。

我们使用「哈希表」的目的为了实现原节点和新节点的映射关系，更进一步的是为了快速找到某个节点 random 在新链表的位置。

那么我们可以利用原链表的 next 做一个临时中转，从而实现映射。

具体的，我们可以按照如下流程进行：

对原链表的每个节点节点进行复制，并追加到原节点的后面；
完成 $1$ 操作之后，链表的奇数位置代表了原链表节点，链表的偶数位置代表了新链表节点，且每个原节点的 next 指针执行了对应的新节点。这时候，我们需要构造新链表的 random 指针关系，可以利用 link[i + 1].random = link[i].random.next，$i$ 为奇数下标，含义为 新链表节点的 random 指针指向旧链表对应节点的 random 指针的下一个值；
对链表进行拆分操作。

Java 代码：

class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
        if (head == null) return head;
        Node t = head;
        while (head != null) {
            Node node = new Node(head.val);
            node.next = head.next;
            head.next = node;
            head = node.next;
        }
        head = t;
        while (head != null) {
            if (head.random != null) head.next.random = head.random.next;
            head = head.next.next;
        }
        head = t;
        Node ans = head.next;
        while (head != null) {
            Node ne = head.next;
            if (ne != null) head.next = ne.next;
            head = ne;
        }
        return ans;
    }
}

C++ 代码：

class Solution {
public:
    Node* copyRandomList(Node* head) {
        if (!head) return head;
        Node* t = head;
        while (head) {
            Node* node = new Node(head->val);
            node->next = head->next;
            head->next = node;
            head = node->next;
        }
        head = t;
        while (head) {
            if (head->random) head->next->random = head->random->next;
            head = head->next->next;
        }
        head = t;
        Node* ans = head->next;
        while (head) {
            Node* ne = head->next;
            if (ne) head->next = ne->next;
            head = ne;
        }
        return ans;
    }
};

Python 代码：

class Solution:
    def copyRandomList(self, head: 'Node') -> 'Node':
        if not head: return head
        t = head
        while head:
            node = Node(head.val)
            node.next = head.next
            head.next = node
            head = node.next
        head = t
        while head:
            if head.random:
                head.next.random = head.random.next
            head = head.next.next
        head = t
        ans = head.next
        while head:
            ne = head.next
            if ne:
                head.next = ne.next
            head = ne
        return ans

时间复杂度：$O(n)$
空间复杂度：$O(1)$

最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.剑指 Offer 35 篇，系列开始于 2021/01/01，截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目，部分是有锁题，我们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章里面，除了讲解解题思路以外，还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码，我建立了相关的仓库：https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。

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哈希表链表

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