随机链表的复制

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题目描述

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：

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：

输入：head = [[1,1],[2,1]]
输出：[[1,1],[2,1]]

示例 3：

输入：head = [[3,null],[3,0],[3,null]]
输出：[[3,null],[3,0],[3,null]]

提示：

0 <= n <= 1000
-10⁴ <= Node.val <= 10⁴
Node.random 为 null 或指向链表中的节点。

代码结果

运行时间: 40 ms, 内存: 15.7 MB

/*
 * 思路：
 * 1. 通过Map和Stream API创建新节点。
 * 2. 使用Stream设置新链表节点的random指针。
 * 3. 返回新的链表。
 */
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
 
class Node {
    int val;
    Node next;
    Node random;
 
    public Node(int val) {
        this.val = val;
        this.next = null;
        this.random = null;
    }
}
 
public class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
        if (head == null) return null;
 
        // 1. 使用Map和Stream创建新节点
        Map<Node, Node> map = new HashMap<>();
        Node curr = head;
        while (curr != null) {
            map.put(curr, new Node(curr.val));
            curr = curr.next;
        }
 
        // 2. 使用Stream设置新节点的next和random
        map.forEach((oldNode, newNode) -> {
            newNode.next = map.get(oldNode.next);
            newNode.random = map.get(oldNode.random);
        });
 
        // 3. 返回新链表的头节点
        return map.get(head);
    }
}

解释

方法:

该题解采用了三次遍历的方式来实现链表的深拷贝。第一次遍历，在原链表的每个节点后面复制一个新节点，新节点的值和原节点相同。第二次遍历，设置新节点的random指针，使新节点的random指向原节点random指针指向节点的下一个节点（即复制出的新节点）。第三次遍历，将原链表和复制链表拆分开，恢复原链表的结构，并构建出完整的复制链表。

时间复杂度:

O(n)

空间复杂度:

O(n)

代码细节讲解

🦆

在第二次遍历中，为什么可以通过`cur.random.next`正确地设置新节点的random指针？原节点的random指针和新节点的布局是如何关联的？

▷

在第一次遍历中，每个原始节点A后面都紧跟着创建了一个新的复制节点A'。因此，对于任何节点A，A.random指向的节点B，其对应的复制节点B'恰好是B.next。因此，在第二次遍历中，可以通过将cur.next（新节点A'）的random指针设置为cur.random.next（即B.next，复制出的新节点B'）来正确设置新节点的random指针。这种方法确保了新复制的节点的random指针指向正确的复制节点，而不是原始节点。

🦆

题解中提到第三次遍历用于拆分原链表和复制链表，但在拆分过程中是否有可能破坏原链表的结构，特别是如果存在循环引用怎么处理？

▷

在第三次遍历过程中，通过逐个节点仔细分离原链表和复制链表可以保持原链表的结构不被破坏。每个原始节点和复制节点都是交错排列的，所以通过设置cur.next = cur.next.next和copied.next = copied.next.next（如果存在）来正确分离两个链表。此操作不会破坏原链表的结构，也不会影响存在循环引用的处理，因为分离操作只是改变next指针，而不会改变任何节点的random指针，因此循环引用仍然保持不变。

🦆

复制链表的过程是否考虑了原链表中可能存在的多个节点指向同一个random节点的情况？这种情况下新链表的random指针设置是否正确？

▷

是的，复制链表的过程正确考虑了原链表中可能存在的多个节点指向同一个random节点的情况。由于每个原节点的复制节点是通过next指针紧接原节点之后创建的，因此对于所有指向同一个random节点R的节点，其复制节点将通过R.next（即复制的R'）来正确设置它们的random指针。无论多少个原始节点指向同一个random节点，它们的复制节点总是能通过原始节点的random.next找到正确的复制random节点。

🦆

如果原链表为空，返回值直接是`head`，这里的`head`是未定义的`None`吗？在语言层面这种处理是否安全？

▷

是的，如果原链表为空，那么`head`参数的值是`None`。此时返回`head`即返回`None`，这在大多数编程语言中都是安全的，并且正确地表示了复制的链表也是空的。这种处理方式是通用的，并且在处理空输入时不会引发错误或异常。

相关问题

克隆图

给你无向连通图中一个节点的引用，请你返回该图的 深拷贝（克隆）。

图中的每个节点都包含它的值 val（int）和其邻居的列表（list[Node]）。

class Node {
    public int val;
    public List<Node> neighbors;
}

测试用例格式：

简单起见，每个节点的值都和它的索引相同。例如，第一个节点值为 1（val = 1），第二个节点值为 2（val = 2），以此类推。该图在测试用例中使用邻接列表表示。

邻接列表 是用于表示有限图的无序列表的集合。每个列表都描述了图中节点的邻居集。

给定节点将始终是图中的第一个节点（值为 1）。你必须将 给定节点的拷贝 作为对克隆图的引用返回。

示例 1：

输入：adjList = [[2,4],[1,3],[2,4],[1,3]]
输出：[[2,4],[1,3],[2,4],[1,3]]
解释：
图中有 4 个节点。
节点 1 的值是 1，它有两个邻居：节点 2 和 4 。
节点 2 的值是 2，它有两个邻居：节点 1 和 3 。
节点 3 的值是 3，它有两个邻居：节点 2 和 4 。
节点 4 的值是 4，它有两个邻居：节点 1 和 3 。

示例 2：

输入：adjList = [[]]
输出：[[]]
解释：输入包含一个空列表。该图仅仅只有一个值为 1 的节点，它没有任何邻居。

示例 3：

输入：adjList = []
输出：[]
解释：这个图是空的，它不含任何节点。

示例 4：

输入：adjList = [[2],[1]]
输出：[[2],[1]]

提示：

节点数不超过 100 。
每个节点值 Node.val 都是唯一的，1 <= Node.val <= 100。
无向图是一个简单图，这意味着图中没有重复的边，也没有自环。
由于图是无向的，如果节点 p 是节点 q 的邻居，那么节点 q 也必须是节点 p 的邻居。
图是连通图，你可以从给定节点访问到所有节点。

只出现一次的数字 II 单词拆分