【忍者算法】从入环点到相遇点：深入理解环形链表 II｜LeetCode第142题 环形链表 II

【忍者算法】从入环点到相遇点：深入理解环形链表 II｜LeetCode第142题

问题升级：不止要找环，还要找入环点

在上一题中，我们讨论了如何判断链表是否有环。现在让我们更进一步：如果确定链表中有环，我们该如何找到环的入口节点？这就像是在环形跑道上不仅要确认跑道是环形的，还要找到环形跑道的起点。

问题描述

LeetCode第142题"环形链表 II"要求：给定一个链表的头节点 head，返回链表开始入环的第一个节点。如果链表无环，则返回 null。

例如：

输入：3 → 2 → 0 → -4
         ↑___________|
输出：返回节点 2
解释：链表中存在一个环，其尾部连接到第二个节点

从快慢指针相遇谈起

还记得上一题中的快慢指针相遇吗？那个相遇点看似随机，实际上蕴含着重要的数学原理。让我们用这个相遇点来找到入环点。

巧妙的数学关系

假设：

• 链表头到入环点的距离为 a
• 入环点到相遇点的距离为 b
• 相遇点到入环点的距离为 c

当快慢指针相遇时：

1. 慢指针走过的距离：a + b
2. 快指针走过的距离：a + b + n(b + c)，其中n是快指针在环内走的圈数
3. 因为快指针速度是慢指针的两倍，所以：2(a + b) = a + b + n(b + c)

通过解这个等式，我们发现：a = c + (n-1)(b + c)

这意味着：从链表头和相遇点同时出发，最终会在入环点相遇！

代码实现

public ListNode detectCycle(ListNode head) {
    // 处理特殊情况
    if (head == null || head.next == null) {
        return null;
    }

    // 第一阶段：使用快慢指针找到相遇点
    ListNode slow = head;
    ListNode fast = head;
    ListNode intersection = null;

    while (fast != null && fast.next != null) {
        slow = slow.next;
        fast = fast.next.next;
        if (slow == fast) {
            intersection = slow;
            break;
        }
    }

    // 如果没有相遇点，说明无环
    if (intersection == null) {
        return null;
    }

    // 第二阶段：从头节点和相遇点同时出发，找入环点
    ListNode start = head;
    while (start != intersection) {
        start = start.next;
        intersection = intersection.next;
    }

    return start;
}

图解过程

1) 初始状态：
3 → 2 → 0 → 4
    ↑___________|
S,F

2) 快慢指针相遇：
3 → 2 → 0 → 4
    ↑___________|
        S,F

3) 从头和相遇点同时出发：
3 → 2 → 0 → 4
    ↑___________|
P1      P2

4) 在入环点相遇：
3 → 2 → 0 → 4
    ↑___________|
    P1,P2

与上一题的联系与进阶

相比环形链表I，这一题是一个很自然的进阶：

1. 两题都使用了快慢指针技巧
2. 这一题复用了上一题找相遇点的过程
3. 在找到相遇点后，增加了寻找入环点的步骤

实现细节与优化

1. 空间复杂度仍然保持O(1)
2. 时间复杂度为O(n)
3. 不需要额外的数据结构
4. 代码实现优雅且直观

思考与延伸

这个问题告诉我们：

1. 有时问题的解决方案就藏在问题本身的特性中
2. 数学关系可以帮助我们找到优雅的解法
3. 快慢指针不仅能检测环，还能帮我们找到关键节点

实际应用思考

这个算法的思想可以应用在很多实际场景中：

1. 检测循环依赖
2. 死锁检测
3. 循环引用的处理

让我们记住：当我们遇到类似的"寻找特殊点"问题时，可以尝试利用路径特性来找到优雅的解决方案。

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作者：忍者算法

公众号：忍者算法

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