数据类型学习笔记-链表

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，可以根据不同的业务场景选择对应的数据类型了。

在某些抗日神剧中，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。

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，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，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，现在来思考一个问题：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

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

实现方法 1：Stack

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，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需求了，性能还是很高的。

实现方法 3：循环

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。

小结

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，可以使用它来实现队列或者栈。

最后分享了反转链表的 3 种实现方法，希望本文的内容对你有帮助。

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