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。

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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,二是因为面试必考,先来看本文大纲:

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。

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:

 
 
 
 
  1. private static class Node {
  2.     E item;
  3.     Node next;
  4.     Node(E element, Node next) {
  5.         this.item = element;
  6.         this.next = next;
  7.     }
  8. }

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:

 
 
 
 
  1. private static class Node {
  2.     E item;
  3.     Node next;
  4.     Node prev;
  5.     Node(Node prev, E element, Node next) {
  6.         this.item = element;
  7.         this.next = next;
  8.         this.prev = prev;
  9.     }
  10. }

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:

 
 
 
 
  1. package java.util;
  2. import java.util.function.Consumer;
  3. public class LinkedList
  4.     extends AbstractSequentialList
  5.     implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable
  6. {
  7.  // 链表大小
  8.     transient int size = 0;
  9.     // 链表头部
  10.     transient Node first;
  11.     // 链表尾部
  12.     transient Node last;
  13.     public LinkedList() {
  14.     }
  15.     public LinkedList(Collection c) {
  16.         this();
  17.         addAll(c);
  18.     }
  19.  
  20.     // 获取头部元素
  21.     public E getFirst() {
  22.         final Node f = first;
  23.         if (f == null)
  24.             throw new NoSuchElementException();
  25.         return f.item;
  26.     }
  27.     // 获取尾部元素
  28.     public E getLast() {
  29.         final Node l = last;
  30.         if (l == null)
  31.             throw new NoSuchElementException();
  32.         return l.item;
  33.     }
  34.     // 删除头部元素
  35.     public E removeFirst() {
  36.         final Node f = first;
  37.         if (f == null)
  38.             throw new NoSuchElementException();
  39.         return unlinkFirst(f);
  40.     }
  41.     // 删除尾部元素
  42.     public E removeLast() {
  43.         final Node l = last;
  44.         if (l == null)
  45.             throw new NoSuchElementException();
  46.         return unlinkLast(l);
  47.     }
  48.     // 添加头部元素
  49.     public void addFirst(E e) {
  50.         linkFirst(e);
  51.     }
  52.     
  53.     // 添加头部元素的具体执行方法
  54.     private void linkFirst(E e) {
  55.         final Node f = first;
  56.         final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
  57.         first = newNode;
  58.         if (f == null)
  59.             last = newNode;
  60.         else
  61.             f.prev = newNode;
  62.         size++;
  63.         modCount++;
  64.     }
  65.     // 添加尾部元素
  66.     public void addLast(E e) {
  67.         linkLast(e);
  68.     }
  69.     
  70.     // 添加尾部元素的具体方法
  71.     void linkLast(E e) {
  72.         final Node l = last;
  73.         final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
  74.         last = newNode;
  75.         if (l == null)
  76.             first = newNode;
  77.         else
  78.             l.next = newNode;
  79.         size++;
  80.         modCount++;
  81.     }
  82.     // 查询链表个数
  83.     public int size() {
  84.         return size;
  85.     }
  86.     // 清空链表
  87.     public void clear() {
  88.         for (Node x = first; x != null; ) {
  89.             Node next = x.next;
  90.             x.item = null;
  91.             x.next = null;
  92.             x.prev = null;
  93.             x = next;
  94.         }
  95.         first = last = null;
  96.         size = 0;
  97.         modCount++;
  98.     }
  99.   
  100.     // 根据下标获取元素
  101.     public E get(int index) {
  102.         checkElementIndex(index);
  103.         return node(index).item;
  104.     }
  105.     private static class Node {
  106.         E item;
  107.         Node next;
  108.         Node prev;
  109.         Node(Node prev, E element, Node next) {
  110.             this.item = element;
  111.             this.next = next;
  112.             this.prev = prev;
  113.         }
  114.     }
  115.     // 忽略其他方法......
  116. }

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:

 
 
 
 
  1. public class LinkedListTest {
  2.     public static void main(String[] a) {
  3.         LinkedList list = new LinkedList();
  4.         list.add("Java");
  5.         list.add("中文");
  6.         list.add("社群");
  7.         list.addFirst("头部添加"); // 添加元素到头部
  8.         list.addLast("尾部添加");  // 添加元素到最后
  9.         System.out.println(list);
  10.     }
  11. }

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:

 
 
 
 
  1. import java.util.LinkedList;
  2. public class LinkedListTest {
  3.     public static void main(String[] a) {
  4.         LinkedList list = new LinkedList();
  5.         list.offer("头部");
  6.         list.offer("中间");
  7.         list.offer("尾部");
  8.         list.removeFirst(); // 删除头部元素
  9.         list.removeLast();  // 删除尾部元素
  10.         System.out.println(list);
  11.     }
  12. }

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:

 
 
 
 
  1. import java.util.LinkedList;
  2. public class LinkedListTest {
  3.     public static void main(String[] a) {
  4.         LinkedList list = new LinkedList();
  5.         list.offer("Java");
  6.         list.offer("MySQL");
  7.         list.offer("DB");
  8.         
  9.         // 修改
  10.         list.set(2, "Oracle");
  11.         System.out.println(list);
  12.     }
  13. }

以上代码的执行结果为:

 
 
 
 
  1. [Java, MySQL, Oracle]

4.查询查询方法的演示代码如下:

 
 
 
 
  1. import java.util.LinkedList;
  2. public class LinkedListTest {
  3.     public static void main(String[] a) {
  4.         LinkedList list = new LinkedList();
  5.         list.offer("Java");
  6.         list.offer("MySQL");
  7.         list.offer("DB");
  8.         // --- getXXX() 获取 ---
  9.         // 获取最后一个
  10.         System.out.println(list.getLast());
  11.         // 获取首个
  12.         System.out.println(list.getFirst());
  13.         // 根据下标获取
  14.         System.out.println(list.get(1));
  15.         // peekXXX() 获取
  16.         System.out.println("--- peek() ---");
  17.         // 获取最后一个
  18.         System.out.println(list.peekLast());
  19.         // 获取首个
  20.         System.out.println(list.peekFirst());
  21.         // 根据首个
  22.         System.out.println(list.peek());
  23.     }
  24. }

以上代码的执行结果为:

 
 
 
 
  1. DB
  2. Java
  3. MySQL
  4. --- peek() ---
  5. DB
  6. Java
  7. Java

5.遍历

LinkedList 的遍历方法包含以下三种。

遍历方法一:

 
 
 
 
  1. for (int size = linkedList.size(), i = 0; i < size; i++) {
  2.     System.out.println(linkedList.get(i));
  3. }

遍历方法二:

 
 
 
 
  1. for (String str: linkedList) {
  2.     System.out.println(str);
  3. }

遍历方法三:

 
 
 
 
  1. Iterator iter = linkedList.iterator();
  2. while (iter.hasNext()) {
  3.     System.out.println(iter.next());
  4. }

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:

 
 
 
 
  1. LinkedList list = new LinkedList();
  2. // 元素入列
  3. list.add("Java");
  4. list.add("中文");
  5. list.add("社群");
  6. while (!list.isEmpty()) {
  7.     // 打印并移除队头元素
  8.     System.out.println(list.poll());
  9. }

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:

 
 
 
 
  1. LinkedList list = new LinkedList();
  2. // 元素入栈
  3. list.add("Java");
  4. list.add("中文");
  5. list.add("社群");
  6. while (!list.isEmpty()) {
  7.     // 打印并移除栈顶元素
  8.     System.out.println(list.pollLast());
  9. }

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:

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:

 
 
 
 
  1. public ListNode reverseList(ListNode head) {
  2.     if (head == null) return null;
  3.     Stack stack = new Stack<>();
  4.     stack.push(head); // 存入第一个节点
  5.     while (head.next != null) {
  6.         stack.push(head.next); // 存入其他节点
  7.         head = head.next; // 指针移动的下一位
  8.     }
  9.     // 反转链表
  10.     ListNode listNode = stack.pop(); // 反转第一个元素
  11.     ListNode lastNode = listNode; // 临时节点,在下面的 while 中记录上一个节点
  12.     while (!stack.isEmpty()) {
  13.         ListNode item = stack.pop(); // 当前节点
  14.         lastNode.next = item;
  15.         lastNode = item;
  16.     }
  17.     lastNode.next = null; // 最后一个节点赋为null(不然会造成死循环)
  18.     return listNode;
  19. }

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:

 
 
 
 
  1. public static ListNode reverseList(ListNode head) {
  2.     if (head == null || head.next == null) return head;
  3.     // 从下一个节点开始递归
  4.     ListNode reverse = reverseList(head.next);
  5.     head.next.next = head; // 设置下一个节点的 next 为当前节点
  6.     head.next = null; // 把当前节点的 next 赋值为 null,避免循环引用
  7.     return reverse;
  8. }

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:

 
 
 
 
  1. class Solution {
  2.     public ListNode reverseList(ListNode head) {
  3.         if (head == null) return null;
  4.         // 最终排序的倒序链表
  5.         ListNode prev = null;
  6.         while (head != null) {
  7.             // 循环的下个节点
  8.             ListNode next = head.next;
  9.             // 反转节点操作
  10.             head.next = prev;
  11.             // 存储下个节点的上个节点
  12.             prev = head;
  13.             // 移动指针到下一个循环
  14.             head = next;
  15.         }
  16.         return prev;
  17.     }
  18. }

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。

新闻标题:23张图!万字详解「链表」,从小白到大佬!
本文网址:http://www.gawzjz.com/qtweb/news23/190373.html

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