daily leetcode - merge-k-sorted-lists - !

题目地址

https://leetcode.com/problems/merge-k-sorted-lists/

题目描述

Merge k sorted linked lists and return it as one sorted list. Analyze and describe its complexity.

Example:

Input:
[
  1->4->5,
  1->3->4,
  2->6
]
Output: 1->1->2->3->4->4->5->6

思路

这道题让我们合并k个有序链表,最终合并出来的结果也必须是有序的,之前做过一道 Merge Two Sorted Lists,是混合插入两个有序链表。这道题增加了难度,变成合并k个有序链表了,但是不管合并几个,基本还是要两两合并。那么首先考虑的方法是能不能利用之前那道题的解法来解答此题。答案是肯定的,但是需要修改,怎么修改呢,最先想到的就是两两合并,就是前两个先合并,合并好了再跟第三个,然后第四个直到第k个。这样的思路是对的,但是效率不高,没法通过 OJ,所以只能换一种思路,这里就需要用到分治法 Divide and Conquer Approach。简单来说就是不停的对半划分,比如k个链表先划分为合并两个 k/2 个链表的任务,再不停的往下划分,直到划分成只有一个或两个链表的任务,开始合并。举个例子来说比如合并6个链表,那么按照分治法,首先分别合并0和3,1和4,2和5。这样下一次只需合并3个链表,再合并1和3,最后和2合并就可以了。代码中的k是通过 (n+1)/2 计算的,这里为啥要加1呢,这是为了当n为奇数的时候,k能始终从后半段开始,比如当 n=5 时,那么此时 k=3,则0和3合并,1和4合并,最中间的2空出来。当n是偶数的时候,加1也不会有影响,比如当 n=4 时,此时 k=2,那么0和2合并,1和3合并,完美解决问题.

思路2

这道题目是合并 k 个已排序的链表,号称 leetcode 目前最难的链表题。 和之前我们解决的88.merge-sorted-array很像。
他们有两点区别:

  1. 这道题的数据结构是链表,那道是数组。这个其实不复杂,毕竟都是线性的数据结构。

  2. 这道题需要合并 k 个元素,那道则只需要合并两个。这个是两题的关键差别,也是这道题难度为hard的原因。

因此我们可以看出,这道题目是88.merge-sorted-array的进阶版本。其实思路也有点像,我们来具体分析下第二条。
如果你熟悉合并排序的话,你会发现它就是合并排序的一部分

具体我们可以来看一个动画

mark

(动画来自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/61796021

关键点解析

  • 分治
  • 合并排序(merge sort)

代码

解法一:

class Solution {
public:
    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        if (lists.empty()) return NULL;
        int n = lists.size();
        while (n > 1) {
            int k = (n + 1) / 2;
            for (int i = 0; i < n / 2; ++i) {
                lists[i] = mergeTwoLists(lists[i], lists[i + k]);
            }
            n = k;
        }
        return lists[0];
    }
    ListNode* mergeTwoLists(ListNode* l1, ListNode* l2) {
        ListNode *dummy = new ListNode(-1), *cur = dummy;
        while (l1 && l2) {
            if (l1->val < l2->val) {
                cur->next = l1;
                l1 = l1->next;
            } else {
                cur->next = l2;
                l2 = l2->next;
            }
            cur = cur->next;
        }
        if (l1) cur->next = l1;
        if (l2) cur->next = l2;
        return dummy->next;
    }
};

我们再来看另一种解法,这种解法利用了最小堆这种数据结构,首先把k个链表的首元素都加入最小堆中,它们会自动排好序。然后每次取出最小的那个元素加入最终结果的链表中,然后把取出元素的下一个元素再加入堆中,下次仍从堆中取出最小的元素做相同的操作,以此类推,直到堆中没有元素了,此时k个链表也合并为了一个链表,返回首节点即可,参见代码如下:

解法二:

class Solution {
public:
    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        auto cmp = [](ListNode*& a, ListNode*& b) {
            return a->val > b->val;
        };
        priority_queue<ListNode*, vector<ListNode*>, decltype(cmp) > q(cmp);
        for (auto node : lists) {
            if (node) q.push(node);
        }
        ListNode *dummy = new ListNode(-1), *cur = dummy;
        while (!q.empty()) {
            auto t = q.top(); q.pop();
            cur->next = t;
            cur = cur->next;
            if (cur->next) q.push(cur->next);
        }
        return dummy->next;
    }
};

下面这种解法利用到了混合排序的思想,也属于分治法的一种,做法是将原链表分成两段,然后对每段调用递归函数,suppose 返回的 left 和 right 已经合并好了,然后再对 left 和 right 进行合并,合并的方法就使用之前那道 Merge Two Sorted Lists 中的任意一个解法即可,这里使用了递归的写法,而本题解法一中用的是迭代的写法,参见代码如下:

解法三:

class Solution {
public:
    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        return helper(lists, 0, (int)lists.size() - 1);
    }
    ListNode* helper(vector<ListNode*>& lists, int start, int end) {
        if (start > end) return NULL;
        if (start == end) return lists[start];
        int mid = start + (end - start) / 2;
        ListNode *left = helper(lists, start, mid);
        ListNode *right = helper(lists, mid + 1, end);
        return mergeTwoLists(left, right);
    }
    ListNode* mergeTwoLists(ListNode* l1, ListNode* l2) {
        if (!l1) return l2;
        if (!l2) return l1;
        if (l1->val < l2->val) {
            l1->next = mergeTwoLists(l1->next, l2);
            return l1;
        } else {
            l2->next = mergeTwoLists(l1, l2->next);
            return l2;
        }
    }
};

下面这种解法利用到了计数排序的思想,由留言区二楼热心网友闽 A2436 提供,思路是将所有的结点值出现的最大值和最小值都记录下来,然后记录每个结点值出现的次数,这样从最小值遍历到最大值的时候,就会按顺序经过所有的结点值,根据其出现的次数,建立相对应个数的结点。但是这种解法有个特别需要注意的地方,那就是合并后的链表结点都是重新建立的,若在某些情况下,不能新建结点,而只能交换或者重新链接结点的话,那么此解法就不能使用,但好在本题并没有这种限制,可以完美过 OJ,参见代码如下:

解法四:

class Solution {
public:
    ListNode* mergeKLists(vector<ListNode*>& lists) {
        ListNode *dummy = new ListNode(-1), *cur = dummy;
        unordered_map<int, int> m;
        int mx = INT_MIN, mn = INT_MAX;
        for (auto node : lists) {
            ListNode *t = node;
            while (t) {
                mx = max(mx, t->val);
                mn = min(mn, t->val);
                ++m[t->val];
                t = t->next;
            }
        }
        for (int i = mn; i <= mx; ++i) {
            if (!m.count(i)) continue;
            for (int j = 0; j < m[i]; ++j) {
                cur->next = new ListNode(i);
                cur = cur->next;
            }
        }
        return dummy->next;
    }
};

代码2

代码支持 JavaScript, Python3

JavaScript Code:

/*
 * @lc app=leetcode id=23 lang=javascript
 *
 * [23] Merge k Sorted Lists
 *
 * https://leetcode.com/problems/merge-k-sorted-lists/description/
 *
 */
function mergeTwoLists(l1, l2) {
  const dummyHead = {};
  let current = dummyHead;
  // l1: 1 -> 3 -> 5
  // l2: 2 -> 4 -> 6
  while (l1 !== null && l2 !== null) {
    if (l1.val < l2.val) {
      current.next = l1; // 把小的添加到结果链表
      current = current.next; // 移动结果链表的指针
      l1 = l1.next; // 移动小的那个链表的指针
    } else {
      current.next = l2;
      current = current.next;
      l2 = l2.next;
    }
  }

  if (l1 === null) {
    current.next = l2;
  } else {
    current.next = l1;
  }
  return dummyHead.next;
}
/**
 * Definition for singly-linked list.
 * function ListNode(val) {
 *     this.val = val;
 *     this.next = null;
 * }
 */
/**
 * @param {ListNode[]} lists
 * @return {ListNode}
 */
var mergeKLists = function(lists) {
  // 图参考: https://zhuanlan.zhihu.com/p/61796021
  if (lists.length === 0) return null;
  if (lists.length === 1) return lists[0];
  if (lists.length === 2) {
    return mergeTwoLists(lists[0], lists[1]);
  }

  const mid = lists.length >> 1;
  const l1 = [];
  for (let i = 0; i < mid; i++) {
    l1[i] = lists[i];
  }

  const l2 = [];
  for (let i = mid, j = 0; i < lists.length; i++, j++) {
    l2[j] = lists[i];
  }

  return mergeTwoLists(mergeKLists(l1), mergeKLists(l2));
};

Python3 Code:

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, x):
#         self.val = x
#         self.next = None

class Solution:
    def mergeKLists(self, lists: List[ListNode]) -> ListNode:
        n = len(lists)
        
        # basic cases
        if lenth == 0: return None
        if lenth == 1: return lists[0]
        if lenth == 2: return self.mergeTwoLists(lists[0], lists[1])
        
        # divide and conqure if not basic cases
        mid = n // 2
        return self.mergeTwoLists(self.mergeKLists(lists[:mid]), self.mergeKLists(lists[mid:n]))
    
    
    def mergeTwoLists(self, l1: ListNode, l2: ListNode) -> ListNode:
        res = ListNode(0)
        c1, c2, c3 = l1, l2, res
        while c1 or c2:
            if c1 and c2:
                if c1.val < c2.val:
                    c3.next = ListNode(c1.val)
                    c1 = c1.next
                else:
                    c3.next = ListNode(c2.val)
                    c2 = c2.next
                c3 = c3.next
            elif c1:
                c3.next = c1
                break
            else:
                c3.next = c2
                break
            
        return res.next

本文参考自:
https://github.com/grandyang/leetcode/ &
https://github.com/azl397985856/leetcode


标题: daily leetcode - merge-k-sorted-lists - !
文章作者: lonuslan
文章链接: https://www.lonuslan.com/articles/2020/02/01/1580529195660.html
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