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揭开链表的真面目

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发布于: 2020 年 09 月 01 日

链表是一种常见的数据结构，链表是由一连串的结点组成，这个节点就是链结点，每个链结点都由数据域和*指针域*两部分组成。



使用链表结构可以克服数组结构需要预先知道数据大小的缺点，链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。但是链表失去了数组随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大。



链表比较好的一种理解是：将链表看成一个火车，每个车厢之间都是相互连接的，只要找到火车头，就可以找到具体的车身。链表也是，我们只关心它的头。



一 单向链表



1.1 单向链表原理图



单向链表的一个链结点包含数据域和下一个链结点的指针。头结点也包含数据域和指针域，但是一般为了方便查找，头节点不写数据，最后一个结点的指针指向空。





1.2 实现单向链表的存储等操作



创建一个链结点的实体类



public class Node {
    // 数据域
    public long data;
    // 指针域
    public Node next;
    public Node(long value){
        this.data = value;
    }
}



1.2.1 插入一个节点



在头节点后插入一个结点，第一步需要将新插入的结点指向头结点指向的结点，第二部将头结点指向新插入的结点。插入结点只需要改变一个引用，所以复杂度为O(1)。





public class LinkList {
    private Node head;
    /**
     * 在头节点之后插入一个节点
     */
    public void insertFirst(long value){
        Node node = new Node(value);
        node.next = head;
        head = node;
    }
}



1.2.2 头结点后删除一个结点



在头结点后删除一个结点，就是让头结点指向这个结点的下一个结点。复杂度也是O(1)。





public Node deleteFirst(){
    Node tmp = head;
    head = tmp.next;
    return tmp;
}



1.2.3 根据数据域查找结点



查找需要比对每个结点的数据，理论上查找一个结点平均需要N/2次，所以复杂度为O(N)。



public Node find(long value){
    Node current = head;
    while (current.data != value){
        if(current.next == null){
            return null;
        }
        current = current.next;
    }
    return current;
}



1.2.4 根据数据与删除结点



查找需要比对每个结点的数据，理论上删除一个结点平均需要N/2次，所以复杂度为O(N)。



public Node delete(int value){
    Node current = head;
    // 当前结点的前一个结点
    Node pre = head;
    while (current.data != value){
        if(current.next == null){
            return null;
        }
        pre = current;
        current = current.next;
    }
    if(current == head){
        head = head.next;
    }else{
        pre.next = current.next;
    }
    return current;
}



二 双端链表



2.1 双端链表原理图



双端链表是在单向链表的基础上，头结点增加了一个尾结点的引用。





2.2 实现双端链表的存储等操作



2.2.1 从头部插入结点



如果链表为空，则设置尾结点就是新添加的结点。复杂度为O(1)。



public class FirstLastLinkList {
    private Node first;
    private Node last;
    /**
     * 在头结点之后插入一个节点
     */
    public void insertFirst(long value){
        Node node = new Node(value);
        if(first == null){
            last = node;
        }
        node.next = first;
        first = node;
    }
}



2.2.2 从尾部插入结点



如果链表为空，则设置头结点为新添加的结点，否则设置尾结点的后一个结点为新添加的结点。复杂度为O(1)。



public void insertLast(long value){
    Node node = new Node(value);
    if(first == null){
        first = node;
    }else{
        last.next = node;
    }
    last = node;
}



2.2.3 从头部进行删除



判断头结点是否有下一个结点，如果没有则设置尾结点为null，复杂度为O(1)。



public Node deleteFirst(){
    Node tmp = first;
    if(first.next == null){
        last = null;
    }
    first = tmp.next;
    return tmp;
}



三 双向链表



3.1 双向链表原理图



每个结点除了保存对后一个结点的引用外，还保存着对前一个结点的引用。





3.2 实现双向链表的存储等操作



链结点实体类



public class Node {
    // 数据域
    public long data;
    // 后一个结点指针域
    public Node1 next;
    // 前一个结点指针域
    public Node prev;
    
    public Node(long value){
        this.data = value;
    }
}



3.2.1 从头部插入结点



如果链表为空，则设置尾结点为新添加的结点，如果不为空，还需要设置头结点的前一个结点为新添加的结点。插入结点只需要改变两个结点的引用，所以复杂度为O(1)。





public class DoubleLinkList {
    private Node first;
    private Node last;
    /**
     * 在头结点之后插入一个节点
     */
    public void insertFirst(long value){
        Node node = new Node(value);
        if(first == null){
            last = node;
        } else{
            first.prev = node;
        }
        node.next = first;
        first = node;
    }
}



3.2.2 从尾部插入结点



如果链表为空，则设置头结点为新添加的结点，否则设置尾结点的后一个结点为新添加的结点。同时设置新添加的结点的前一个结点为尾结点。插入结点只需要改变1个结点的引用，所以复杂度为O(1)。



public void insertLast(long value){
    Node node = new Node(value);
    if(first == null){
        first = node;
    }else{
        last.next = node;
        node.prev = last;
    }
    last = node;
}



3.2.3 从头部删除结点



判断头结点是否有下一个结点，如果没有则设置尾结点为null，否则设置头结点的下一个结点的prev为null。复杂度也为O(1)。





public Node deleteFirst(){
    Node tmp = first;
    if(first.next == null){
        last = null;
    }else{
        first.next.prev = null;
    }
    first = tmp.next;
    return tmp;
}



3.2.4 从尾部删除结点



如果头结点后没有其他结点，则设置头结点为null，否则设置尾结点的前一个结点的next为null，设置尾结点为前一个结点。复杂度为O(1)。



public Node deleteLast(){
    Node tmp = last; 
    if(first.next == null){
        first = null;
    }else{
        last.prev.next = null;  
    }
    last = last.prev;
    return last;
}



四 总结



链表包含一个头结点和多个结点，头结点包含一个引用，这个引用通常叫做first，它指向链表的第一个链结点。结点的next为null，则意味着这个结点时尾结点。与数组相比，链表更适合做插入、删除操作，而查找操作的复杂度更高。还有一个优势就是链表不需要初始化内存大小，不会造成内存溢出（数组中插入元素个数超过数组长度）或内存浪费（声明的数组长度比实际放的元素长）。





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