Sort List
最后更新于：2022-04-02 01:10:47
# 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/)
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Sort a linked list in O(n log n) time using constant space complexity.
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### 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;
}
};
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### 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++
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/**
* 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;
}
};
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### 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.")
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