消圈算法

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Floyd判圈算法（龟兔赛跑算法, Floyd's cycle detection）及其证明

2017-04-23 20:02:43 gdymind 阅读数 3026更多

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问题：如何检测一个链表是否有环（循环节），如果有，那么如何确定环的起点以及环的长度。 
空间要求：不能存储所经过的的每一个点。 
举例：x0=1x0=1,xi+1=f(xi)xi+1=f(xi)，求循环节的起始位置以及循环节的长度。 

---

求解步骤：

 

1.判断是否有环

 
使用两个指针slow和fast。两个指针开始时均在头节点处(SS点)，slow指针（龟）一次向后移动一个一步，fast指针（兔）一次向后移动两步。若存在环，则slow和fast必能相遇；反之若slow到达链表尾时两个指针仍不能相遇，则不存在环。 
证明 
设头节点SS与循环节起始点AA之间举例|SA|=m|SA|=m。两个指针在BB点相遇，|AB|=n|AB|=n。可知环中的点满足xi=xi+klxi=xi+kl，其中ll为循环节的长度，也就是说fast比slow多走了整数圈。当i=kli=kl时，满足xi=x2ixi=x2i，这样的ii一定存在，得证。

2.计算环的长度

这一步比较简单，让其中一个指针停在BB不动，另一个一步一步向前走并记录步数，再次相遇时步数即为环的长度。

3.寻找环的起点

其中一个指针在BB不动，另一个放到起点SS，两个指针同时一步一步移动，则两指针将会在循环节的起点相遇。 
证明 
BB点的下标 i=kli=kl为ll的整数倍。当放到SS处的指针移动mm到达AA时，放在BB的指针移动到i+m=kl+mi+m=kl+m处，于是两个指针相遇。

代码如下：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long LL;
const int maxn = 2e7;
int f(int x)
{
    int res = 0;
    //此处填写递推式，使其走到下一步
    return res;
}
//ori为起点处的值，len为循环节长度，id为循环节起始处坐标，val为循环节起始处的值
bool FloydCycle(int ori, int &len, int &id,  int &val)//有环返回true，无环返回false
{
    int slow, fast;//慢指针和快指针
    slow = f(ori);//快指针的移动速度是慢指针的2倍
    fast = f(f(ori));
    int cnt = 1;
    while(slow != fast && cnt <= maxn)//maxn为链表尾节点
    {
        //快指针的移动速度是慢指针的2倍
        slow = f(slow);
        fast = f(f(fast));
        cnt++;
    }
    if(slow != fast) return false;//无环

    len = 1;//环的长度
    slow = f(slow);
    while(slow != fast)
    {
        slow = f(slow);
        len++;
    }

    id = 0;
    slow = 1;
    while(slow != fast)
    {
        slow = f(slow);
        fast = f(fast);
        id++;
    }
    val = slow;

    return true;
}