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# Sort List ### Source - leetcode: [Sort List | LeetCode OJ](https://leetcode.com/problems/sort-list/) - lintcode: [(98) Sort List](http://www.lintcode.com/en/problem/sort-list/) ~~~ Sort a linked list in O(n log n) time using constant space complexity. ~~~ ### 题解1 - 归并排序(链表长度求中间节点) 链表的排序操作,对于常用的排序算法,能达到 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn)的复杂度有快速排序(平均情况),归并排序,堆排序。快速排序不一定能保证其时间复杂度一定满足要求,归并排序和堆排序都能满足复杂度的要求。在数组排序中,归并排序通常需要使用 O(n)O(n)O(n) 的额外空间,也有原地归并的实现,代码写起来略微麻烦一点。但是对于链表这种非随机访问数据结构,所谓的「排序」不过是指针`next`值的变化而已,主要通过指针操作,故仅需要常数级别的额外空间,满足题意。堆排序通常需要构建二叉树,在这道题中不太适合。 既然确定使用归并排序,我们就来思考归并排序实现的几个要素。 1. 按长度等分链表,归并虽然不严格要求等分,但是等分能保证线性对数的时间复杂度。由于链表不能随机访问,故可以先对链表进行遍历求得其长度。 1. 合并链表,细节已在 [Merge Two Sorted Lists | Data Structure and Algorithm](http://algorithm.yuanbin.me/zh-cn/linked_list/merge_two_sorted_lists.html) 中详述。 在按长度等分链表时进行「后序归并」——先求得左半部分链表的表头,再求得右半部分链表的表头,最后进行归并操作。 由于递归等分链表的操作需要传入链表长度信息,故需要另建一辅助函数。新鲜出炉的源码如下。 ~~~ /** * Definition of ListNode * class ListNode { * public: * int val; * ListNode *next; * ListNode(int val) { * this->val = val; * this->next = NULL; * } * } */ class Solution { public: /** * @param head: The first node of linked list. * @return: You should return the head of the sorted linked list, using constant space complexity. */ ListNode *sortList(ListNode *head) { if (NULL == head) { return NULL; } // get the length of List int len = 0; ListNode *node = head; while (NULL != node) { node = node->next; ++len; } return sortListHelper(head, len); } private: ListNode *sortListHelper(ListNode *head, const int length) { if ((NULL == head) || (0 >= length)) { return head; } ListNode *midNode = head; int count = 1; while (count < length / 2) { midNode = midNode->next; ++count; } ListNode *rList = sortListHelper(midNode->next, length - length / 2); midNode->next = NULL; ListNode *lList = sortListHelper(head, length / 2); return mergeList(lList, rList); } ListNode *mergeList(ListNode *l1, ListNode *l2) { ListNode *dummy = new ListNode(0); ListNode *lastNode = dummy; while ((NULL != l1) && (NULL != l2)) { if (l1->val < l2->val) { lastNode->next = l1; l1 = l1->next; } else { lastNode->next = l2; l2 = l2->next; } lastNode = lastNode->next; } lastNode->next = (NULL != l1) ? l1 : l2; return dummy->next; } }; ~~~ ### 源码分析 1. 归并子程序没啥好说的了,见 [Merge Two Sorted Lists | Data Structure and Algorithm](http://algorithm.yuanbin.me/zh-cn/linked_list/merge_two_sorted_lists.html). 1. 在递归处理链表长度时,分析方法和 [Convert Sorted List to Binary Search Tree | Data Structure and Algorithm](http://algorithm.yuanbin.me/zh-cn/binary_search_tree/convert_sorted_list_to_binary_search_tree.html) 一致,**`count`表示遍历到链表中间时表头指针需要移动的节点数。**在纸上分析几个简单例子后即可确定,由于这个题需要的是「左右」而不是二叉搜索树那道题需要三分——「左中右」,故将`count`初始化为1更为方便,左半部分链表长度为`length / 2`, 这两个值的确定最好是先用纸笔分析再视情况取初值,不可死记硬背。 1. 找到中间节点后首先将其作为右半部分链表处理,然后将其`next`值置为`NULL`, 否则归并子程序无法正确求解。这里需要注意的是`midNode`是左半部分的最后一个节点,`midNode->next`才是链表右半部分的起始节点。 1. 递归模型中**左、右、合并**三者的顺序可以根据分治思想确定,即先找出左右链表,最后进行归并(因为归并排序的前提是两个子链表各自有序)。 ### 复杂度分析 遍历求得链表长度,时间复杂度为 O(n)O(n)O(n), 「折半取中」过程中总共有 log(n)\log(n)log(n) 层,每层找中点需遍历 n/2n/2n/2 个节点,故总的时间复杂度为 n/2⋅O(logn) n/2 \cdot O(\log n)n/2⋅O(logn) (折半取中), 每一层归并排序的时间复杂度介于 O(n/2)O(n/2)O(n/2) 和 O(n)O(n)O(n)之间,故总的时间复杂度为 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn), 空间复杂度为常数级别,满足题意。 ### 题解2 - 归并排序(快慢指针求中间节点) 除了遍历链表求得总长外,还可使用看起来较为巧妙的技巧如「快慢指针」,快指针每次走两步,慢指针每次走一步,最后慢指针所指的节点即为中间节点。使用这种特技的关键之处在于如何正确确定快慢指针的起始位置。 ### C++ ~~~ /** * Definition of ListNode * class ListNode { * public: * int val; * ListNode *next; * ListNode(int val) { * this->val = val; * this->next = NULL; * } * } */ class Solution { public: /** * @param head: The first node of linked list. * @return: You should return the head of the sorted linked list, using constant space complexity. */ ListNode *sortList(ListNode *head) { if (NULL == head || NULL == head->next) { return head; } ListNode *midNode = findMiddle(head); ListNode *rList = sortList(midNode->next); midNode->next = NULL; ListNode *lList = sortList(head); return mergeList(lList, rList); } private: ListNode *findMiddle(ListNode *head) { if (NULL == head || NULL == head->next) { return head; } ListNode *slow = head, *fast = head->next; while(NULL != fast && NULL != fast->next) { fast = fast->next->next; slow = slow->next; } return slow; } ListNode *mergeList(ListNode *l1, ListNode *l2) { ListNode *dummy = new ListNode(0); ListNode *lastNode = dummy; while ((NULL != l1) && (NULL != l2)) { if (l1->val < l2->val) { lastNode->next = l1; l1 = l1->next; } else { lastNode->next = l2; l2 = l2->next; } lastNode = lastNode->next; } lastNode->next = (NULL != l1) ? l1 : l2; return dummy->next; } }; ~~~ ### 源码分析 1. 异常处理不仅考虑了`head`, 还考虑了`head->next`, 可减少辅助程序中的异常处理。 1. 使用快慢指针求中间节点时,将`fast`初始化为`head->next`可有效避免无法分割两个节点如`1->2->null`[fast_slow_pointer](#)。 - 求中点的子程序也可不做异常处理,但前提是主程序`sortList`中对`head->next`做了检测。 1. 最后进行`merge`归并排序。 ****> 在递归和迭代程序中,需要尤其注意终止条件的确定,以及循环语句中变量的自增,以防出现死循环或访问空指针。 ### 复杂度分析 同上。 ### Reference - [Sort List | 九章算法](http://www.jiuzhang.com/solutions/sort-list/) - fast_slow_pointer > . [LeetCode: Sort List 解题报告 - Yu's Garden - 博客园](http://www.cnblogs.com/yuzhangcmu/p/4131885.html)[ ↩](# "Jump back to footnote [fast_slow_pointer] in the text.")