23 张图！万字详解「链表」，从小白到大佬！

关注
发布于: 2020 年 11 月 05 日
链表和数组是数据类型中两个重要又常用的基础数据类型，数组是连续存储在内存中的数据结构，因此它的优势是可以通过下标迅速的找到元素的位置，而它的缺点则是在插入和删除元素时会导致大量元素的被迫移动，为了解决和平衡此问题于是就有了链表这种数据类型。
﻿
链表和数组可以形成有效的互补，这样我们就可以根据不同的业务场景选择对应的数据类型了。那么，本文我们就来重点介绍学习一下链表，一是因为它非常重要，二是因为面试面试必考，先来看本文的大纲：
﻿
看过某些抗日神剧我们都知道，某些秘密组织为了防止组织的成员被“一窝端”，通常会采用上下级单线联系的方式来保护其他成员，而这种“行为”则是链表的主要特征。
﻿
本文已收录至 Github《小白学算法》系列：https://github.com/vipstone/algorith
简介链表（Linked List）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在每一个节点里存到下一个节点的指针（Pointer）。
链表是由数据域和指针域两部分组成的，它的组成结构如下：
﻿
复杂度分析由于链表无需按顺序存储，因此链表在插入的时可以达到 O(1) 的复杂度，比顺序表快得多，但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要 O(n) 的时间，而顺序表插入和查询的时间复杂度分别是 O(log n) 和 O(1)。
优缺点分析使用链表结构可以克服数组链表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。
分类链表通常会分为以下三类：
单向链表
双向链表
循环链表单循链表双循环链表
1.单向链表链表中最简单的一种是单向链表，或叫单链表，它包含两个域，一个数据域和一个指针域，指针域用于指向下一个节点，而最后一个节点则指向一个空值，如下图所示：
单链表的遍历方向单一，只能从链头一直遍历到链尾。它的缺点是当要查询某一个节点的前一个节点时，只能再次从头进行遍历查询，因此效率比较低，而双向链表的出现恰好解决了这个问题。
接下来，我们用代码来实现一下单向链表的节点：
private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node(E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
    }
}
2.双向链表双向链表也叫双面链表，它的每个节点由三部分组成：prev 指针指向前置节点，此节点的数据和 next 指针指向后置节点，如下图所示：
﻿
接下来，我们用代码来实现一下双向链表的节点：
private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}
3.循环链表循环链表又分为单循环链表和双循环链表，也就是将单向链表或双向链表的首尾节点进行连接，这样就实现了单循环链表或双循环链表了，如下图所示：
﻿
﻿
Java中的链表学习了链表的基础知识之后，我们来思考一个问题：Java 中的链表 LinkedList 是属于哪种类型的链表呢？单向链表还是双向链表？
要回答这个问题，首先我们要来看 JDK 中的源码，如下所示：
package java.util;
import java.util.function.Consumer;
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
 // 链表大小
    transient int size = 0;
    // 链表头部
    transient Node<E> first;
    // 链表尾部
    transient Node<E> last;
    public LinkedList() {
    }
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }
 
    // 获取头部元素
    public E getFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }
    // 获取尾部元素
    public E getLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }
    // 删除头部元素
    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }
    // 删除尾部元素
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }
    // 添加头部元素
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }
    
    // 添加头部元素的具体执行方法
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
    // 添加尾部元素
    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }
    
    // 添加尾部元素的具体方法
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
    // 查询链表个数
    public int size() {
        return size;
    }
    // 清空链表
    public void clear() {
        for (Node<E> x = first; x != null; ) {
            Node<E> next = x.next;
            x.item = null;
            x.next = null;
            x.prev = null;
            x = next;
        }
        first = last = null;
        size = 0;
        modCount++;
    }
  
    // 根据下标获取元素
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
    // 忽略其他方法......
}
从上述节点 Node  的定义可以看出：LinkedList 其实是一个双向链表，因为它定义了两个指针 next 和 prev 分别用来指向自己的下一个和上一个节点。
链表常用方法LinkedList 的设计还是很巧妙的，了解了它的实现代码之后，下面我们来看看它是如何使用的？或者说它的常用方法有哪些。
1.增加接下来我们来演示一下增加方法的使用：
public class LinkedListTest {
    public static void main(String[] a) {
        LinkedList list = new LinkedList();
        list.add("Java");
        list.add("中文");
        list.add("社群");
        list.addFirst("头部添加"); // 添加元素到头部
        list.addLast("尾部添加");  // 添加元素到最后
        System.out.println(list);
    }
}
以上代码的执行结果为：
[头部添加, Java, 中文, 社群, 尾部添加]
出来以上的 3 个增加方法之外，LinkedList 还包含了其他的添加方法，如下所示：
add(int index, E element)：向指定位置插入元素；
offer(E e)：向链表末尾添加元素，返回是否成功；
offerFirst(E e)：头部插入元素，返回是否成功；
offerLast(E e)：尾部插入元素，返回是否成功。
add 和 offer 的区别它们的区别主要体现在以下两点：
offer 方法属于 Deque接口，add 方法属于 Collection的接口；
当队列添加失败时，如果使用 add 方法会报错，而 offer 方法会返回 false。
2.删除删除功能的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
    public static void main(String[] a) {
        LinkedList list = new LinkedList();
        list.offer("头部");
        list.offer("中间");
        list.offer("尾部");
        list.removeFirst(); // 删除头部元素
        list.removeLast();  // 删除尾部元素
        System.out.println(list);
    }
}
以上代码的执行结果为：
[中间]
除了以上删除方法之外，更多的删除方法如下所示：
clear()：清空链表；
removeFirst()：删除并返回第一个元素；
removeLast()：删除并返回最后一个元素；
remove(Object o)：删除某一元素，返回是否成功；
remove(int index)：删除指定位置的元素；
poll()：删除并返回第一个元素；
remove()：删除并返回第一个元素。
3.修改修改方法的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
    public static void main(String[] a) {
        LinkedList list = new LinkedList();
        list.offer("Java");
        list.offer("MySQL");
        list.offer("DB");
        
        // 修改
        list.set(2, "Oracle");
        System.out.println(list);
    }
}
以上代码的执行结果为：
[Java, MySQL, Oracle]
4.查询查询方法的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
    public static void main(String[] a) {
        LinkedList list = new LinkedList();
        list.offer("Java");
        list.offer("MySQL");
        list.offer("DB");
        // --- getXXX() 获取 ---
        // 获取最后一个
        System.out.println(list.getLast());
        // 获取首个
        System.out.println(list.getFirst());
        // 根据下标获取
        System.out.println(list.get(1));
        // peekXXX() 获取
        System.out.println("--- peek() ---");
        // 获取最后一个
        System.out.println(list.peekLast());
        // 获取首个
        System.out.println(list.peekFirst());
        // 根据首个
        System.out.println(list.peek());
    }
}
以上代码的执行结果为：
DB
Java
MySQL
--- peek() ---
DB
Java
Java
5.遍历LinkedList 的遍历方法包含以下三种。
遍历方法一：
for (int size = linkedList.size(), i = 0; i < size; i++) {
    System.out.println(linkedList.get(i));
}
遍历方法二：
for (String str: linkedList) {
    System.out.println(str);
}
遍历方法三：
Iterator iter = linkedList.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    System.out.println(iter.next());
}
链表应用：队列 & 栈1.用链表实现栈接下来我们用链表来实现一个先进先出的“队列”，实现代码如下：
LinkedList list = new LinkedList();
// 元素入列
list.add("Java");
list.add("中文");
list.add("社群");
while (!list.isEmpty()) {
    // 打印并移除队头元素
    System.out.println(list.poll());
}
以上程序的执行结果如下：
Java
中文
社群
﻿
2.用链表实现队列然后我们用链表来实现一个后进先出的“栈”，实现代码如下：
LinkedList list = new LinkedList();
// 元素入栈
list.add("Java");
list.add("中文");
list.add("社群");
while (!list.isEmpty()) {
    // 打印并移除栈顶元素
    System.out.println(list.pollLast());
}
以上程序的执行结果如下：
社群
中文
Java
﻿
链表使用场景链表作为一种基本的物理结构，常被用来构建许多其它的逻辑结构，如堆栈、队列都可以基于链表实现。
所谓的物理结构是指可以将数据存储在物理空间中，比如数组和链表都属于物理数据结构；而逻辑结构则是用于描述数据间的逻辑关系的，它可以由多种不同的物理结构来实现，比如队列和栈都属于逻辑结构。
链表常见笔试题链表最常见的笔试题就是链表的反转了，之前的文章《链表反转的两种实现方法，后一种击败了100%的用户！》我们提供了 2 种链表反转的方法，而本文我们再来扩充一下，提供 3 种链表反转的方法。
实现方法 1：Stack我们先用图解的方式来演示一下，使用栈实现链表反转的具体过程，如下图所示。
﻿
全部入栈：
因为栈是先进后出的数据结构，因此它的执行过程如下图所示：
﻿
﻿
最终的执行结果如下图所示：
实现代码如下所示：
public ListNode reverseList(ListNode head) {
    if (head == null) return null;
    Stack<ListNode> stack = new Stack<>();
    stack.push(head); // 存入第一个节点
    while (head.next != null) {
        stack.push(head.next); // 存入其他节点
        head = head.next; // 指针移动的下一位
    }
    // 反转链表
    ListNode listNode = stack.pop(); // 反转第一个元素
    ListNode lastNode = listNode; // 临时节点，在下面的 while 中记录上一个节点
    while (!stack.isEmpty()) {
        ListNode item = stack.pop(); // 当前节点
        lastNode.next = item;
        lastNode = item;
    }
    lastNode.next = null; // 最后一个节点赋为null（不然会造成死循环）
    return listNode;
}
LeetCode 验证结果如下图所示：
可以看出使用栈的方式来实现链表的反转执行的效率比较低。
实现方法 2：递归同样的，我们先用图解的方式来演示一下，此方法实现的具体过程，如下图所示。
﻿
﻿
﻿
﻿
实现代码如下所示：
public static ListNode reverseList(ListNode head) {
    if (head == null || head.next == null) return head;
    // 从下一个节点开始递归
    ListNode reverse = reverseList(head.next);
    head.next.next = head; // 设置下一个节点的 next 为当前节点
    head.next = null; // 把当前节点的 next 赋值为 null，避免循环引用
    return reverse;
}
LeetCode 验证结果如下图所示：
可以看出这种实现方法在执行效率方面已经满足我们的需求了，性能还是很高的。
实现方法 3：循环我们也可以通过循环的方式来实现链表反转，只是这种方法无需重复调用自身方法，只需要一个循环就搞定了，实现代码如下：
class Solution {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
        if (head == null) return null;
        // 最终排序的倒序链表
        ListNode prev = null;
        while (head != null) {
            // 循环的下个节点
            ListNode next = head.next;
            // 反转节点操作
            head.next = prev;
            // 存储下个节点的上个节点
            prev = head;
            // 移动指针到下一个循环
            head = next;
        }
        return prev;
    }
}
LeetCode 验证结果如下图所示：
从上述图片可以看出，使用此方法在时间复杂度和空间复杂度上都是目前的最优解，比之前的两种方法更加理想。
总结本文我们讲了链表的定义，它是由数据域和指针域两部分组成的。链表可分为：单向链表、双向链表和循环链表，其中循环链表又可以分为单循链表和双循环链表。通过 JDK 的源码可知，Java 中的 LinkedList 其实是双向链表，我们可以使用它来实现队列或者栈，最后我们讲了反转链表的 3 种实现方法，希望本文的内容对你有帮助。
﻿
如果觉得有用请各位老爷多多点赞和分享，原创不易，谢谢您了！
﻿