142. 环形链表 II

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。

如果链表中有某个节点，可以通过连续跟踪 next 指针再次到达，则链表中存在环。 为了表示给定链表中的环，评测系统内部使用整数 pos 来表示链表尾连接到链表中的位置（索引从 0 开始）。如果 pos 是 -1，则在该链表中没有环。注意：pos 不作为参数进行传递，仅仅是为了标识链表的实际情况。

不允许修改 链表。

示例 1：

输入： head = [3,2,0,-4], pos = 1
输出： 返回索引为 1 的链表节点
解释： 链表中有一个环，其尾部连接到第二个节点。

示例 2：

输入： head = [1,2], pos = 0
输出： 返回索引为 0 的链表节点
解释： 链表中有一个环，其尾部连接到第一个节点。

示例 3：

输入： head = [1], pos = -1
输出： 返回 null
解释： 链表中没有环。

提示：

• 链表中节点的数目范围在范围 $[0,10^4]$ 内
• $-10^5<=Node.val<=10^5$
• pos 的值为 -1 或者链表中的一个有效索引

进阶： 你是否可以使用 O(1) 空间解决此题？

解法

解法一(哈希表)

思路分析：

1. 创建一个哈希表hashNode存储链表中的节点
2. 对链表进行遍历，让出现重复节点时，即为链表开始入环的第一个节点，将其返回即可

实现代码如下：

class Solution {
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
        // 创建哈希表
        HashMap<ListNode, Integer> hashNode = new HashMap<>();
        ListNode cur = head;
        while (cur != null) {
            if (hashNode.containsKey(cur)) {  // 存在节点直接返回
                return cur;
            }
            hashNode.put(cur, 1);
            cur = cur.next;
        }
        return null;
    }
}

提交结果如下：

解答成功:
    执行耗时:3 ms,击败了18.03% 的Java用户
    内存消耗:42.9 MB,击败了14.97% 的Java用户

复杂度分析：

• 时间复杂度：O(n)，遍历一遍链表
• 空间复杂度：O(n)，需要存储链表的节点

解法二(双指针)

思路分析：

1. 使用两个指针fast和slow，起始都位于链表的头部，slow每次向后移动一个位置，fast每次向后移动两个位置，若链表中存在环，则fast指针最终会再次与slow指针在环中相遇
2. 因为fast每次比slow多走一步，有环，则fast一定会追上slow
3. 假设链表长度为a+b，即a指链表头部到链表环入口的长度，b为环的长度
   1. 且fast指针走的步数是slow走的步数的两倍，$f=2s$
   2. 当fast与slow相遇时，两个指针所走长度关系为，$f=s+nb$，nb指的是n圈环的长度
   3. 则有$s=nb$，即两个指针fast和slow分别走了2n、n个环的周长
4. 且有链表环的入口点为，从链表头部走$a+nb$步到达，fast和slow相遇时时slow已走过nb步，即只需再走a步，slow指向链表环的入口点
5. 此时，让一个指针ptr从链表头部开始遍历，且与slow同时移动，当指针ptr走过a步时，指向链表环的入口点，恰好此时指针slow也指向链表环的入口点，即两个指针相遇时，刚好均指向链表环的路口点

实现代码如下：

class Solution {
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
        ListNode fast = head;
        ListNode slow = head;
        // 若fast为空则说明不含有环 退出循环
        while (fast != null && fast.next != null) {
            fast = fast.next.next;
            slow = slow.next;
            if (fast == slow) {        // 当fast与slow相遇
                ListNode ptr = head;
                while (ptr != slow) {    // 寻找环入口处节点
                    slow = slow.next;
                    ptr = ptr.next;
                }
                return ptr;
            }
        }
        return null;
    }
}

提交结果如下：

解答成功:
    执行耗时:0 ms,击败了100.00% 的Java用户
    内存消耗:43 MB,击败了10.51% 的Java用户

复杂度分析：

• 时间复杂度：O(n)，对链表进行遍历
• 空间复杂度：O(1)，使用了常量级变量