LeetCode 138：复制带随机指针的链表 Copy List with Random Pointer

给定一个链表，每个节点包含一个额外增加的随机指针，该指针可以指向链表中的任何节点或空节点。

要求返回这个链表的深拷贝。

A linked list is given such that each node contains an additional random pointer which could point to any node in the list or null.

Return a deep copy of the list.

示例：

输入：
{"$id":"1","next":{"$id":"2","next":null,"random":{"$ref":"2"},"val":2},"random":{"$ref":"2"},"val":1}

解释：
节点 1 的值是 1，它的下一个指针和随机指针都指向节点 2 。
节点 2 的值是 2，它的下一个指针指向 null，随机指针指向它自己。

提示：

1. 你必须返回给定头的拷贝作为对克隆列表的引用。

Note:

1. You must return the copy of the given head as a reference to the cloned list.

由于需要考虑随机指针，随机指针指向的节点可能是null，也可能是链表的最后一个节点，深拷贝下，你不能将新链表的随机指针指向原链表的节点，所以无法一遍得到新链表。

两种解题方法，一种是拷贝所有节点，暂存在一种数据结构内，然后再遍历一遍该数据结构，找到拷贝的节点，确定随机指针的指向。因为每个节点都要找到随机指针指向的节点，如果借助 散列表(字典) 其查找复杂度为 O(1) ，这样可以把总时间复杂度降到 O(n) ，由于要暂存所有节点，其空间复杂度为 O(n)。

另一种解题方法是需要三次遍历得到结果，简单来说就是先把每个节点拷贝，并把拷贝节点连接到原节点后面，依次类推。确定随机节点的关系之后再拆分链表。是一种很巧妙的思路：

原链表：1->2->3
复制每个节点到原节点后面：1->1->2->2->3->3
复制随机指针的指向关系
拆分链表：1->2->3, 1->2->3

复制随机指针指向时，原节点的随机节点下一个节点即为新节点的随机节点。假如原链表：1->2->3，节点1的随机节点为3，复制节点之后：1->1->2->2->3->3

我们只需将新节点（原节点1的后一个节点1）指向原节点的随机节点的后一个节点（原节点的随机节点为3，而复制之后随机节点3的后一个节点依然为3，但这个节点为新节点），最后拆分链表（链表拆分不影响节点指向关系）。其时间复杂度为 O(n)，空间复杂度为 O(1)。

Java：

class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
 if (head == null) return null;
 HashMap map = new HashMap<>();//借助hashMap
 Node newHead = new Node(0);//虚拟头节点
 Node cur = newHead;//指针指向当前节点
 Node tmp;
 while (head != null) {
     if (map.containsKey(head)) {//查询原节点是否已存在于map
  tmp = map.get(head);//如果存在直接取value值
     } else {
  tmp = new Node(head.val);//不存在则新建一个值相同的节点
  map.put(head, tmp);//存入map，key为原节点，value为新节点
     }
     cur.next = tmp;
     if (head.random != null) {//原节点的随机节点不为空的情况下
  if (map.containsKey(head.random)) {//查询该随即节点是否已存在于map
      tmp.random = map.get(head.random);//存在则直接将新节点的随机指针指向其value值
  } else {
      tmp.random = new Node(head.random.val);//不存在则新建一个值相同的随机节点
      map.put(head.random, tmp.random);//存入map，key为原节点的随机节点，value为新节点的随机节点
  }
     }
     head = head.next;//刷新原链表当前头节点
     cur = tmp;//即cur=cur.next，刷新新链表当前节点
 }
 return newHead.next;
    }
}

class Solution:
    def copyRandomList(self, head: 'Node') -> 'Node':
 if not head: return None
 map = {}
 newHead = Node(val=0, next=None, random=None)
 cur = newHead
 while head:
     if head in map.keys():
  tmp = map.get(head)
     else:
  tmp = Node(val=head.val, next=None, random=None)
  map.setdefault(head, tmp)
     cur.next = tmp
     if head.random:
  if head.random in map.keys():
      tmp.random = map.get(head.random)
  else:
      tmp.random = Node(val=head.random.val, next=None, random=None)
      map.setdefault(head.random, tmp.random)
     head = head.next
     cur = tmp
 return newHead.next

class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
 if (head == null) return null;
 //复制节点 1->2->3 ==> 1->1->1->2->2->3->3
 Node cur = head;
 while (cur != null) {
     Node next = cur.next;
     Node tmp = new Node(cur.val);
     cur.next = tmp;
     tmp.next = next;
     cur = next;
 }
 //复制随机指针
 cur = head;
 while (cur != null) {
     //cur.next.random=>新节点的随机节点	 cur.random.next=>原节点的随机节点的下一个节点
     cur.next.random = cur.random == null ? null : cur.random.next;
     cur = cur.next.next;//链表扩展一倍后肯定是偶数位链表，所以可以直接用cur.next.next
 }
 //分离节点
 cur = head;
 Node newHead = head.next;//新链表头节点
 while (cur != null) {
     Node tmp = cur.next;
     cur.next = tmp.next;
     cur = cur.next;
     tmp.next = cur == null ? null : cur.next;
 }
 return newHead;
    }
}

class Solution:
    def copyRandomList(self, head: 'Node') -> 'Node':
 if not head: return None
 cur = head
 while cur:
     next = cur.next
     tmp = Node(val=cur.val, next=next, random=None)
     cur.next = tmp
     cur = next
 cur = head
 while cur:
     cur.next.random = cur.random.next if cur.random else None
     cur = cur.next.next
 cur = head
 newHead = head.next
 while cur:
     tmp = cur.next
     cur.next = tmp.next
     cur = cur.next
     tmp.next = cur.next if cur else None
 return newHead