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  • 23张图!万字详解「链表」,从小白到大佬!

    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:
    image.png

    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:
    image.png

    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节点的指针域,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:
    image.png
    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:

    image.png

    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:
    image.png
    image.png

    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

    image.png

    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

    image.png

    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。

    image.png

    全部入栈:
    image.png
    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:
    image.png
    image.png
    image.png
    最终的执行结果如下图所示:
    image.png
    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:
    image.png
    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。

    image.png

    image.png
    image.png
    image.png
    image.png
    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:
    image.png
    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:
    image.png
    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。

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