234. Palindrome Linked List (E)

https://leetcode.com/problems/palindrome-linked-list/

Given the head of a singly linked list, return true if it is a palindrome.

Example 1:

Input: head = [1,2,2,1]
Output: true

Example 2:

Input: head = [1,2]
Output: false

Constraints:

• The number of nodes in the list is in the range [1, 105].

• 0 <= Node.val <= 9

Follow up: Could you do it in O(n) time and O(1) space?

Solution:

我们之前有两篇文章写了回文串和回文序列相关的问题。

寻找回文串的核心思想是从中心向两端扩展：

string palindrome(string& s, int l, int r) {
    // 防止索引越界
    while (l >= 0 && r < s.size()
            && s[l] == s[r]) {
        // 向两边展开
        l--; r++;
    }
    // 返回以 s[l] 和 s[r] 为中心的最长回文串
    return s.substr(l + 1, r - l - 1);
}

因为回文串长度可能为奇数也可能是偶数，长度为奇数时只存在一个中心点，而长度为偶数时存在两个中心点，所以上面这个函数需要传入l和r。

而判断一个字符串是不是回文串就简单很多，不需要考虑奇偶情况，只需要「双指针技巧」，从两端向中间逼近即可：

bool isPalindrome(string s) {
    int left = 0, right = s.length - 1;
    while (left < right) {
        if (s[left] != s[right])
            return false;
        left++; right--;
    }
    return true;
}

以上代码很好理解吧，因为回文串是对称的，所以正着读和倒着读应该是一样的，这一特点是解决回文串问题的关键。

下面扩展这一最简单的情况，来解决：如何判断一个「单链表」是不是回文。

一、判断回文单链表

输入一个单链表的头结点，判断这个链表中的数字是不是回文：

/**
 * 单链表节点的定义：
 * public class ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode next;
 * }
 */

boolean isPalindrome(ListNode head);

输入: 1->2->null
输出: false

输入: 1->2->2->1->null
输出: true

这道题的关键在于，单链表无法倒着遍历，无法使用双指针技巧。

那么最简单的办法就是，把原始链表反转存入一条新的链表，然后比较这两条链表是否相同。关于如何反转链表，可以参见前文 递归翻转链表的一部分。

其实，借助二叉树后序遍历的思路，不需要显式反转原始链表也可以倒序遍历链表，下面来具体聊聊。

对于二叉树的几种遍历方式，我们再熟悉不过了：

void traverse(TreeNode root) {
    // 前序遍历代码
    traverse(root.left);
    // 中序遍历代码
    traverse(root.right);
    // 后序遍历代码
}

在 学习数据结构的框架思维 中说过，链表兼具递归结构，树结构不过是链表的衍生。那么，链表其实也可以有前序遍历和后序遍历：

void traverse(ListNode head) {
    // 前序遍历代码
    traverse(head.next);
    // 后序遍历代码
}

这个框架有什么指导意义呢？如果我想正序打印链表中的 val 值，可以在前序遍历位置写代码；反之，如果想倒序遍历链表，就可以在后序遍历位置操作：

/* 倒序打印单链表中的元素值 */
void traverse(ListNode head) {
    if (head == null) return;
    traverse(head.next);
    // 后序遍历代码
    print(head.val);
}

说到这了，其实可以稍作修改，模仿双指针实现回文判断的功能：

// 左侧指针
ListNode left;

boolean isPalindrome(ListNode head) {
    left = head;
    return traverse(head);
}

boolean traverse(ListNode right) {
    if (right == null) return true;
    boolean res = traverse(right.next);
    // 后序遍历代码
    res = res && (right.val == left.val);
    left = left.next;
    return res;
}

这么做的核心逻辑是什么呢？实际上就是把链表节点放入一个栈，然后再拿出来，这时候元素顺序就是反的，只不过我们利用的是递归函数的堆栈而已。

当然，无论造一条反转链表还是利用后序遍历，算法的时间和空间复杂度都是 O(N)。下面我们想想，能不能不用额外的空间，解决这个问题呢？

二、优化空间复杂度

更好的思路是这样的：

1、先通过 双指针技巧 中的快慢指针来找到链表的中点：

ListNode slow, fast;
slow = fast = head;
while (fast != null && fast.next != null) {
    slow = slow.next;
    fast = fast.next.next;
}
// slow 指针现在指向链表中点

2、如果fast指针没有指向null，说明链表长度为奇数，slow还要再前进一步：

if (fast != null)
    slow = slow.next;

3、从slow开始反转后面的链表，现在就可以开始比较回文串了：

ListNode left = head;
ListNode right = reverse(slow);

while (right != null) {
    if (left.val != right.val)
        return false;
    left = left.next;
    right = right.next;
}
return true;

至此，把上面 3 段代码合在一起就高效地解决这个问题了，其中 reverse 函数很容易实现：

boolean isPalindrome(ListNode head) {
    ListNode slow, fast;
    slow = fast = head;
    while (fast != null && fast.next != null) {
        slow = slow.next;
        fast = fast.next.next;
    }
    
    if (fast != null)
        slow = slow.next;
    
    ListNode left = head;
    ListNode right = reverse(slow);
    while (right != null) {
        if (left.val != right.val)
            return false;
        left = left.next;
        right = right.next;
    }
    
    return true;
}

ListNode reverse(ListNode head) {
    ListNode pre = null, cur = head;
    while (cur != null) {
        ListNode next = cur.next;
        cur.next = pre;
        pre = cur;
        cur = next;
    }
    return pre;
}

算法总体的时间复杂度 O(N)，空间复杂度 O(1)，已经是最优的了。

我知道肯定有读者会问：这种解法虽然高效，但破坏了输入链表的原始结构，能不能避免这个瑕疵呢？

其实这个问题很好解决，关键在于得到p, q这两个指针位置：

这样，只要在函数 return 之前加一段代码即可恢复原先链表顺序：

p.next = reverse(q);

篇幅所限，我就不写了，读者可以自己尝试一下。

三、最后总结

首先，寻找回文串是从中间向两端扩展，判断回文串是从两端向中间收缩。对于单链表，无法直接倒序遍历，可以造一条新的反转链表，可以利用链表的后序遍历，也可以用栈结构倒序处理单链表。

具体到回文链表的判断问题，由于回文的特殊性，可以不完全反转链表，而是仅仅反转部分链表，将空间复杂度降到 O(1)。