02--图解数据结构之单链表实现容器

链表是一种线性的数据结构
是一种最简单的动态数据结构

优点：  动态创建，节省空间  
        头部添加容易  
缺点：空间上不连续，查找困难。只能从头开始一个一个找

对于单链表：
链表类Node的成员变量有：T类型的数据和Node类型的节点，并且成员变量node指向下一个节点。
为了统一节点的操作，通常在链表最前面添加一个虚拟头结点

链表.png

一个链表.png

我想再强调一下数据结构的作用是为数据寻找一个合适的载体，让数据的操作更加快捷。
Node只不过是一个辅助工具，并不会暴露在外。它与数据相对应，又使数据按链式排布，
操纵节点也就等于操纵数据，就像提线木偶，我们操作的是"观众"所看不见的线，而不是木偶的各个肢体本身。

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一、单链表实现集合：SingleLinkedGroup

1.节点类的设计

 /**
  * 内部私有节点类
  * @param <T>
  */
 private class Node<T>{
     /**
      * 节点数据元素
      */
     public T el;
     
     /**
      * 下一节点的引用
      */
     public Node next;
     
    public Node(T el, Node next) {
        this.el = el;
        this.next = next;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return el.toString();
    }
 }

2.SingleLinkedGroup继承自Group 基类见第一篇

public class SingleLinkedGroup<T> extends Group<T> {

    /**
     * 虚拟头结点
     */
    private Node headNode;

    public SingleLinkedGroup() {
        clear();
    }

    @Override
    public void add(int index, T el) {

    }

    @Override
    public T remove(int index) {
        return null;
    }

    @Override
    public void clear() {
        headNode = new Node(null, null);
        size = 0;
    }

    @Override
    public T set(int index, T el) {
        return null;
    }

    @Override
    public T get(int index) {
        return null;
    }

    @Override
    public int[] getIndex(T el) {
        return new int[0];
    }

    @Override
    public Group<T> contact(int index, Group<T> group) {
        return null;
    }
    /////Node类见上方
}

二、底层节点操作

1.定点插入

1---新节点的next指向目标节点
2---目标节点的上一节点(即data1)的next指向新节点
3---增加size

添加节点.png

/**
 * 在指定链表前添加节点
 *
 * @param index 索引
 * @param el    数据
 */
private void addNode(int index, T el) {
    Node<T> target = getNode(index - 1);
    //新建节点，同时下一节点指向target的下一节点
    Node<T> tNode = new Node<>(target.next, el);
    //目标节点的next指向新节点
    target.next = tNode;
    size++;
}

2.定点获取

思路：链表查找只能一个一个挨着找，就像排队报数样。

/**
 * 根据索引寻找节点
 * @param index 索引
 * @return 节点
 */
private Node<T> getNode(int index) {
    //声明目标节点
    Node<T> targetNode = headNode;
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        //一个挨着一个找，直到index
        targetNode = targetNode.next;
    }
    return targetNode;
}

3.定点修改

/**
 * 修改节点
 * @param index 节点位置
 * @param el 数据
 * @return 修改后的节点
 */
private Node<T> setNode(int index, T el) {
    Node<T> node = getNode(index);
    node.el = el;
    return node;
}

4.定点移除

思路：目标节点的前一节点的next指向目标节点的下一节点(即把元素孤立)
把目标节点的next指向为null

链表移除节点.png

/**
 * 移除指定索引的节点
 *
 * @param index 索引
 * @return 删除的元素
 */
private T removeNode(int index) {
    //目标节点前一节点
    Node<T> targetPrev = getNode(index - 1);
    //目标节点
    Node<T> target = targetPrev.next;
    //目标节点前一节点的next指向目标节点下一节点
    targetPrev.next = target.next;
    target.next = null;
    size--;
    return target.el;
}

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三、集合类外部访问接口实现

1、增：添加--add

@Override
public void add(int index, T el) {
    // index可以取到size，在链表末尾空位置添加元素。
    if (index+1 < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index");
    }
    addNode(index + 1, el);
}

2.删:移除--remove

@Override
public T remove(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index");
    }
    return removeNode(index + 1);
}

3.该：修改--set

@Override
public T set(int index, T el) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index");
    }
    return setNode(index + 1, el).el;
}

4.查：获取--get

@Override
public T get(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index");
    }
    //消除headNode影响，所以+1
    return getNode(index + 1).el;
}

5.测试

SingleLinkedGroup<String> list = new SingleLinkedGroup<>();
list.addFirst("特");
list.addLast("烈");
list.addFirst("风");
list.addFirst("张");
list.add(2, "杰");
list.set(2, "捷");
System.out.println(list);
//head: 张->风->捷->特->烈->NULL
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    System.out.print(list.get(i));//张风捷特烈
}
list.remove(2);
//head: 张->风->特->烈->NULL
System.out.println(list);
list.clear();
System.out.println(list);//head: NULL

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四、其他操作

1.根据指定元素获取匹配索引

@Override
public int[] getIndex(T el) {
    //临时数组
    int[] tempArray = new int[size];
    //重复个数
    int index = 0;
    int count = 0;
    Node node = headNode.next;
    while (node != null) {
        if (el.equals(node.el)) {
            tempArray[index] = -1;
            count++;
        }
        index++;
        node = node.next;
    }
    //将临时数组压缩
    int[] indexArray = new int[count];
    int indexCount = 0;
    for (int i = 0; i < tempArray.length; i++) {
        if (tempArray[i] == -1) {
            indexArray[indexCount] = i;
            indexCount++;
        }
    }
    return indexArray;
}

2.定点连接两个链表式集合

 @Override
 public Group<T> contact(int index, Group<T> group) {
     SingleLinkedGroup<T> linkedGroup = (SingleLinkedGroup<T>) group;
     //获取待接入链表 头结点
     Node firstNode = linkedGroup.getHeadNode().next;
     //获取待接入链表 尾结点
     Node lastNode = linkedGroup.getLastNode();
     //获取目标节点
     Node<T> target = getNode(index+1);
     //获取目标节点的下一节点
     Node targetNext = target.next;
     //获取目标节点的next连到 接入链表 头结点
     target.next = firstNode;
     //待接入链表 尾结点连到 目标节点的下一节点
     lastNode.next = targetNext;
     return this;
 }
 
public Node getHeadNode() {
    return headNode;
}
public Node getLastNode() {
    return getNode(size);
}

2.其他方法测试:

        SingleLinkedGroup<String> linkedGroup = new SingleLinkedGroup<>();
        linkedGroup.addLast("a");
        linkedGroup.addLast("b");
        linkedGroup.addLast("a");
        linkedGroup.addLast("c");
        linkedGroup.addLast("a");

        System.out.println(linkedGroup);
        //head: a->b->a->c->a->NULL

        //获取a元素的所有索引位置
        int[] as = linkedGroup.getIndex("a");
        for (int a : as) {
            System.out.print(a+" ");//0 2 4
        }

        //删除a元素第一次出现的地方---
        linkedGroup.removeEl("a");
        System.out.println(linkedGroup);
        //head: b->a->c->a->NULL

        //查看a元素是否存在
        boolean b = linkedGroup.contains("a");
        System.out.println(b);//true

        //删除所有a元素出现的地方---
        linkedGroup.removeEls("a");
        System.out.println(linkedGroup);
        //head: b->c->NULL
        
        SingleLinkedGroup<String> linkedGroup2 = new SingleLinkedGroup<>();
        linkedGroup2.addLast("1");
        linkedGroup2.addLast("3");
        linkedGroup2.addLast("2");
        linkedGroup.contact(1, linkedGroup2);
        System.out.println(linkedGroup);
        //head: b->c->1->3->2->NULL

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五、时间测试：单链表式集合：SingleLinkedGroup测试

方法数量	复杂度	1000	10000	10W	100W	1000W
addLast	O(n)	0.0029秒	0.1096秒	9.1836秒	----	----
addFirst	O(1)	0.0002秒	0.0009秒	0.0036秒	0.5039秒	3.1596秒
add	O(n)	--	--	--	--	--
removeLast	O(n)	0.0012秒	0.1009秒	8.9750秒	----	----
removeFirst	O(1)	0.0001秒	0.0016秒	0.0026秒	0.0299秒	0.1993秒
removeEl	O(n)	--	--	--	--	--
removeEls	O(n)	--	--	--	--	--
remove	O(n)	--	--	--	--	--
clear	O(1)	--	--	--	--	--
set	O(n)	--	--	--	--	--
get	O(n)	--	--	--	--	--
getIndex	O(n)	--	--	--	--	--

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后记、

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