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Merge k Sorted Lists

描述​

Merge k sorted linked lists and return it as one sorted list. Analyze and describe its complexity.

分析​

可以复用 Merge Two Sorted Lists 的函数

代码​

解法1: 直接调用 mergeTwoLists()​

假设k条链表的总元素个数为N, 每条链表的平均长度为 N/k，由于每次调用mergeTwoLists()的时间复杂度为O(N/k)，总共调用k次，因此该算法时间复杂度为 O(N)。

// Merge k Sorted Lists
// 时间复杂度O(N)，空间复杂度O(1)
public class Solution {
    public ListNode mergeKLists(ListNode[] lists) {
        if (lists.length == 0) return null;

        ListNode p = lists[0];
        for (int i = 1; i < lists.length; i++) {
            p = mergeTwoLists(p, lists[i]);
        }
        return p;
    }

    // Merge Two Sorted Lists
    ListNode mergeTwoLists(ListNode l1, ListNode l2) {
        ListNode head = new ListNode(-1);
        for (ListNode p = head; l1 != null || l2 != null; p = p.next) {
            int val1 = l1 == null ? Integer.MAX_VALUE : l1.val;
            int val2 = l2 == null ? Integer.MAX_VALUE : l2.val;
            if (val1 <= val2) {
                p.next = l1;
                l1 = l1.next;
            } else {
                p.next = l2;
                l2 = l2.next;
            }
        }
        return head.next;
    }
}

解法2: 两两调用 mergeTwoLists()​

假设k条链表的总元素个数为N, 每条链表的平均长度为 N/k，

  • 第1次循环中，k个链表个数减半，共调用了 k/2 次mergeTwoLists()，每次mergeTwoLists()时间复杂度为N/k，因此总时间复杂度为 k/2∗N/k=N/2k/2 * N/k=N/2；
  • 第2次循环中，链表个数继续减半，变为 k/4，共调用了 k/4 次mergeTwoLists()，每次mergeTwoLists()时间复杂度为2N/k，因为上一轮把每条单链表的长度边长了，因此总时间复杂度为 k/4×2N/k=N/2k/4 \times 2N/k=N/2；
  • 依此类推，第log⁡k\log{k}次循环的时间复杂度为 k/2log⁡k×2log⁡k−1×N/k=N/2k/{2^{\log{k}}} \times 2^{\log{k}-1} \times N/k=N/2

总的时间复杂度为 log⁡k×N2\log{k} \times \frac{N}{2}。

// Merge k Sorted Lists
// 时间复杂度O(logk*N/2)，空间复杂度O(1)
class Solution {
public:
    ListNode *mergeKLists(vector<ListNode *> &lists) {
        if (lists.empty()) return nullptr;

        while(lists.size() > 1){
            lists.push_back(mergeTwoLists(lists[0], lists[1]));
            lists.erase(lists.begin());
            lists.erase(lists.begin());
        }
        return lists.front();
    }

    // Merge Two Sorted Lists
    ListNode *mergeTwoLists(ListNode *l1, ListNode *l2) {
        ListNode head(-1);
        for (ListNode* p = &head; l1 != nullptr || l2 != nullptr; p = p->next) {
            int val1 = l1 == nullptr ? INT_MAX : l1->val;
            int val2 = l2 == nullptr ? INT_MAX : l2->val;
            if (val1 <= val2) {
                p->next = l1;
                l1 = l1->next;
            } else {
                p->next = l2;
                l2 = l2->next;
            }
        }
        return head.next;
    }
};

解法3: 小根堆​

可以一次性合并k条链表，每次从k个元素中选一个最小的出来，这可以用堆来做，每个元素入堆的时间复杂度为O(logk)，因此总的时间复杂度为O(Nlogk)。

// Merge k Sorted Lists
// 时间复杂度O(Nlogk)，空间复杂度O(logk)

struct compare {
    bool operator()(const ListNode* l, const ListNode* r) {
        return l->val > r->val;
    }
};

class Solution {
public:

    ListNode *mergeKLists(vector<ListNode *> &lists) {
        if(lists.empty()) return nullptr;

        priority_queue<ListNode* , vector<ListNode *>, compare> pq;

        for (auto i : lists) {
            if(i) pq.push(i);
        }

        ListNode * dummy = new ListNode(-1);
        ListNode * tail =  dummy;
        while (!pq.empty()) {
            tail->next = pq.top();
            tail = tail->next;
            pq.pop();
            if(tail->next) {
                pq.push(tail->next);
            }
        }

        return dummy->next;
    }
};

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