数据结构线性结构篇—链表

二、为什么链表很重要

• 链表是一个真正的动态数据结构
• 最简单的动态数据结构
• 更深入的理解引用(或者指针)
• 更深入的理解递归
• 辅助组成其他数据结构

更深入的理解引用(或者指针)：和内存相关，虽然在 java 中大家不用手动的管理内存，但是对 链表 这种数据结构，更加深入的理解，可以帮助大家对引用、指针、甚至计算机系统中和内存管理相关的很多话题，有更加深入的认识。

更深入的理解递归：链表 本来也是有他非常清晰的递归结构的，、由于 链表 这种数据结构是 数据结构，我们可以更加 深入理解递归，对于递归这种深入理解是不可获取的。

链表 本身也是具有功能性：辅助组成其他数据结构(hashMap 、栈和队列)

三、什么是链表

链表 是一种数据结构，在内存中通过 节点记录内存地址 而相互链接形成一条链的储存方式。相比数组而言，链表在内存中不需要连续的区域，只需要每一个节点都能够 记录下一个节点 的 内存地址 ，通过 引用 进行查找，这样的特点也就造就了 链表 增删操作时间消耗很小，而查找遍历时间消耗很大的特点。

我们日常在 Java 中使用的 LinkedList 即为 双向链表。而在链表是由其基本组成单元节点 (Node) 来实现的。我们在日常中见到的链表大部分都是 单链表和双链表

单元节点 (Node)：

class Node{ 
  E e; 
  Node next; 
} 

e 就是链表元素

next 指的是当前节点的下一个节点

对于 链表 来说它就像我们的火车一样，每一个节点其实就是一节车厢，我们在车厢中存储真正的数据，而车厢和车厢之间还要进行连接，让我们数据是整合在一起的，用户可以方便的在所有的数据上进行查询或其他操作，那么 数据和数据连接 就是由这个 next 来完成的

当然 链表 不能无穷无尽，如果一个节点的 next 是 Null 了，就说明这个节点是最后一个节点了，这就是 链表

如下图所示(单链表)：

链表的优点：真正的动态，不需要处理固定容量的问题链表的缺点：丧失了随机访问的能力

在数组中：每一个索引，直接从数组中拿出索引对应的元素，这是因为从底层机制上，数组所开辟的空间，在内存里是连续分布的，所以我们可以直接可以去找这个数组的偏移，直接计算出这个数据所存储的内存地址，可以直接使用。

链表：而链表是靠 Next 一层一层连接的，需要借助这个 Next 一点一点的去找我们需要取出来的元素。

四、创建我们自己的链表

4.1 链表基本结构

 
public class LinkedList { 
 
    //设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现， 
    // 不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现 
    private class Node{ 
        public E e; 
        public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作 
 
        public Node(E e,Node next){ 
            this.e = e; 
            this.next = next; 
        } 
 
        public Node(E e){ 
            this(e,null); 
        } 
 
        public Node(){ 
            this(null,null); 
        } 
 
        @Override 
        public String toString() { 
            return e.toString(); 
        } 
    } 
} 

内部类Node：设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现，不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现e：元素next：指向Node的一个引用

4.2 添加元素

之前我们讲的是如何在数组中添加元素，我们在数组尾添加元素是非常方便的，因为对于数组来说是顺序排放的，有意思的是对于链表来说，恰恰相反，在链表头添加元素是非常方便的，其实这样非常好理解，对于数组来说我们有 size 这个变量，它直接指向了数组中最后一个元素下一个位置，也就是下一个待添加元素的位置，所以直接添加就非常容易，因为有 size 这个变量，在跟踪数组的尾巴，而对于链表来说我们设立了链表的一个头 head ，而没有变量来跟踪链表的尾巴,所以我们在链表头添加元素是非常方便的，最关键的就是 node.next = head 和 head = node，如下图所示：

4.2.1 链表头添加元素

代码实现：

//在链表头中添加元素e 
  public void addFirst(E e){ 
  //方式一 
  //        Node node = new Node(e); 
  //        node.next = head; 
  //        head = node; 
  //方式二 
      head = new Node(e,head); 
      size ++; 
  } 

4.2.2 链表中间添加元素

我们需要在索引为2的地方添加元素 666，我们只需要找到 元素666要 插入之前的节点(1) ，我们管它叫 prev，然后把 之前节点的(1) next 指向 666，然后在将 666的这个 节点指向之前节点(1) 的 之后的节点(2) ，就完成了整个插入了，其中关键代码就是 node.next=prev.next和prev.next=node;，其中关键：我们要找到添加节点的前一个节点 。

代码实现：

 //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
    public void add(int index,E e){ 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index."); 
 
        if(index == 0) 
            addFirst(e); 
        else{ 
            Node prev = head; 
            for (int i = 0; i < index - 1; i++) {//将prev 放入下一个节点，直到移动到index - 1 
                prev = prev.next; 
 
                //方式一 
//                Node node = new Node(e); 
//                node.next = prev.next; 
//                prev.next = node; 
 
                //方式二 
                prev.next = new Node(e,prev.next); 
                size++; 
            } 
        } 
    } 
 
 //在链表末尾添加新的元素e 
    public void addLast(E e){ 
        add(size,e); 
    } 

4.2.3 添加操作时间复杂度

4.3 为链表设计虚拟头结点

上面我们介绍了链表的添加操作，那么我们在添加的时候遇到了一个问题，就是在链表任意一个地方的时候，添加一个元素，在链表头添加一个元素，和在链表其他地方添加元素，逻辑上会有差别，为什么在链表头添加元素会比较特殊呢，因为我们在链表添加元素的过程，要找到待添加的 之前的一个节点，但是由于对于链表头没有之前的一个节点，不过我们可以自己创建一个头结点，这个头节点就是 虚拟头结点，这个节点对于用户来说是不存在， 用户也不会感知到这个节点的存在，我们是屏蔽了这个节点的存在，如下图所示：

代码实现：

private Node dummyHead; 
   int size; 
 
   public LinkedList(){ 
       dummyHead = new Node(null,null); 
       size = 0; 
   } 
 
 
   //获取链表中的元素个数 
   public int getSize(){ 
       return size; 
   } 
 
   //返回链表是否为空 
   public boolean isEmpty(){ 
       return size == 0; 
   } 
   //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
   public void add(int index,E e){ 
 
       if(index < 0 || index > size) 
           throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index."); 
 
       Node prev = dummyHead; 
       for (int i = 0; i < index; i++) 
           prev = prev.next; 
 
       prev.next = new Node(e,prev.next); 
       size ++; 
   } 
 
 //在链表头中添加元素e 
   public void addFirst(E e){ 
       add(0,e); 
   } 
 
   //在链表末尾添加新的元素e 
   public void addLast(E e){ 
       add(size,e); 
   } 

4.4 链表元素 get、set、是否存在操作

//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
   public E get(int index){ 
       if(index < 0 || index > size) 
           throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index."); 
 
       Node cur = dummyHead.next; 
       for (int i = 0; i < index; i++) 
           cur = cur.next; 
 
       return cur.e; 
   } 
 
   //获得链表的第一个元素 
   public E getFirst(){ 
       return get(0); 
   } 
 
   //获取链表的最后一个元素 
   public E getLast(){ 
       return get(size - 1); 
   } 
 
   //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
   public void set(int index,E e){ 
       if(index < 0 || index > size) 
           throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index."); 
 
       Node cur = dummyHead.next; 
       for (int i = 0; i < index; i++) 
           cur = cur.next; 
 
       cur.e = e; 
   } 
 
   //查找链表中是否有元素e 
   public boolean contains(E e){ 
       Node cur = dummyHead.next; 
       while (cur != null){ 
           if(cur.e.equals(e)) 
               return  true; 
           cur = cur.next; 
       } 
       return false; 
   } 

4.5.1 修改和查找操作时间复杂度

4.5 删除链表元素

加入我们想要删除索引为 (2) 位置的元素，我们需要找到 待删除节点之前的一个位置，也就是(1) ，我们用 prev 表示，找到这个节点之后，那么 (2) 就是我们需要删除的索引了 我们叫 delNode，如下图所示：

代码实现：

//从链表中删除Index(0-based)位置的元素，返回删除的元素 
    public E remove(int index){ 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index."); 
 
        Node prev = dummyHead; 
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            prev = prev.next; 
 
        Node retNode = prev.next; 
        prev.next = retNode.next; 
        retNode.next = null; 
 
        size --; 
 
        return  retNode.e; 
 
    } 
 
    //从链表中删除第一个位置的元素 
    public E removeFirst(){ 
        return remove(0); 
    } 
 
    //从链表中删除最后一个位置的元素 
    public E removeLast(){ 
        return remove(size - 1); 
    } 

4.5.1 删除操作时间复杂度

4.6 完整代码

 
public class LinkedList { 
 
    private class Node{ 
        public E e; 
        public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作 
 
        public Node(E e,Node next){ 
            this.e = e; 
            this.next = next; 
        } 
 
        public Node(E e){ 
            this(e,null); 
        } 
 
        public Node(){ 
            this(null,null); 
        } 
 
        @Override 
        public String toString() { 
            return e.toString(); 
        } 
    } 
 
 
    private Node dummyHead; 
    int size; 
 
    public LinkedList(){ 
        dummyHead = new Node(null,null); 
        size = 0; 
    } 
 
 
    //获取链表中的元素个数 
    public int getSize(){ 
        return size; 
    } 
 
    //返回链表是否为空 
    public boolean isEmpty(){ 
        return size == 0; 
    } 
 
 
 
 
    //在链表头中添加元素e 
    public void addFirst(E e){ 
//方式一 
//        Node node = new Node(e); 
//        node.next = head; 
//        head = node; 
//方式二 
        add(0,e); 
    } 
 
    //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
    public void add(int index,E e){ 
 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index."); 
 
        Node prev = dummyHead; 
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            prev = prev.next; 
 
        prev.next = new Node(e,prev.next); 
        size ++; 
    } 
 
    //在链表末尾添加新的元素e 
    public void addLast(E e){ 
        add(size,e); 
    } 
 
    //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
    public E get(int index){ 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index."); 
 
        Node cur = dummyHead.next; 
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            cur = cur.next; 
 
        return cur.e; 
    } 
 
    //获得链表的第一个元素 
    public E getFirst(){ 
        return get(0); 
    } 
 
    //获取链表的最后一个元素 
    public E getLast(){ 
        return get(size - 1); 
    } 
 
    //在链表的index(0-based)位置添加新的元素e 
    public void set(int index,E e){ 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index."); 
 
        Node cur = dummyHead.next; 
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            cur = cur.next; 
 
        cur.e = e; 
    } 
 
    //查找链表中是否有元素e 
    public boolean contains(E e){ 
        Node cur = dummyHead.next; 
        while (cur != null){ 
            if(cur.e.equals(e)) 
                return  true; 
            cur = cur.next; 
        } 
        return false; 
    } 
 
 
    //从链表中删除Index(0-based)位置的元素，返回删除的元素 
    public E remove(int index){ 
        if(index < 0 || index > size) 
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index."); 
 
        Node prev = dummyHead; 
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            prev = prev.next; 
 
        Node retNode = prev.next; 
        prev.next = retNode.next; 
        retNode.next = null; 
 
        size --; 
 
        return  retNode.e; 
 
    } 
 
    //从链表中删除第一个位置的元素 
    public E removeFirst(){ 
        return remove(0); 
    } 
 
    //从链表中删除最后一个位置的元素 
    public E removeLast(){ 
        return remove(size - 1); 
    } 
 
    @Override 
    public String toString() { 
 
        StringBuilder res = new StringBuilder(); 
        for (Node cur = dummyHead.next;cur != null; cur= cur.next) 
            res.append(cur + "->"); 
 
        res.append("Null"); 
        return res.toString(); 
    } 
 
} 

4.2.7 结果测试：

public static void main(String[] args) { 
        LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>(); 
        //添加元素 0-4 
        for (int i = 0; i < 5 ; i++) { 
            linkedList.addFirst(i); 
            System.out.println(linkedList); 
        } 
 
        //添加第二个元素添加 666 
        linkedList.add(2,666); 
        System.out.println(linkedList); 
 
        //删除第二个元素 666 
        linkedList.remove(2); 
        System.out.println(linkedList); 
 
        //删除第一个元素 
        linkedList.removeFirst(); 
        System.out.println(linkedList); 
 
        //删除最后一个元素 
        linkedList.removeLast(); 
        System.out.println(linkedList); 
    } 

打印结果：

0->Null 
1->0->Null 
2->1->0->Null 
3->2->1->0->Null 
4->3->2->1->0->Null 
4->3->666->2->1->0->Null 
4->3->2->1->0->Null 
3->2->1->0->Null 
3->2->1->Null 

四、链表时间复杂度分析

对于增加和删除来说，如果是对链表头进行操作，那么就是 O(1) 级别的复杂度，对于查询来说，也是一样

五、链表应用

5.1 使用栈实现链表

5.1.1 接口类：

 
public interface Stack { 
 
    int getSize(); 
    boolean isEmpty(); 
    void push(E e); 
    E pop(); 
    E peek(); 
 
} 

5.1.2 实现类：

import com.lyy.datasty.Mystack.Stack; 
 
//链表栈实现 
public class LinkedListStack implements Stack { 
 
    private LinkedList1 list; 
 
    public LinkedListStack(){ 
        list = new LinkedList1<>(); 
    } 
 
 
    @Override 
    public int getSize() { 
        return list.getSize(); 
    } 
 
    @Override 
    public boolean isEmpty() { 
        return list.isEmpty(); 
    } 
 
    @Override 
    public void push(E e) { 
        list.addFirst(e); 
    } 
 
    @Override 
    public E pop() { 
        return list.removeFirst(); 
    } 
 
    @Override 
    public E peek() { 
        return list.getFirst(); 
    } 
 
    @Override 
    public String toString() { 
 
        StringBuilder res = new StringBuilder(); 
        res.append("Stack：top  "); 
        res.append(list); 
        return res.toString(); 
    } 
 
   
} 

5.1.3 运行结果：

public static void main(String[] args) { 
        LinkedListStack<Integer> stack = new LinkedListStack<>(); 
        for (int i = 0; i < 5; i++) { 
            stack.push(i); 
            System.out.println(stack); 
        } 
        stack.pop(); 
        System.out.println(stack); 
 
 
    } 

5.1.4 结果打印：

Stack：top  0->Null 
Stack：top  1->0->Null 
Stack：top  2->1->0->Null 
Stack：top  3->2->1->0->Null 
Stack：top  4->3->2->1->0->Null 
Stack：top  3->2->1->0->Null 

5.2 使用链表实现队列

5.2.1 接口类

 
public interface Queue { 
 
    int getSize(); 
    boolean isEmpty(); 
    void enqueue(E e); 
    E dequeue(); 
    E getFront(); 
 
 
} 

5.2.2 实现类

public class LinkedListQueue implements Queue{ 
 
    //设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现， 
    // 不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现 
    private class Node{ 
        public E e; 
        public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作 
 
        public Node(E e, Node next){ 
            this.e = e; 
            this.next = next; 
        } 
 
        public Node(E e){ 
            this(e,null); 
        } 
 
        public Node(){ 
            this(null,null); 
        } 
 
        @Override 
        public String toString() { 
            return e.toString(); 
        } 
    } 
 
    private Node head,tail; 
    private int size; 
 
    public LinkedListQueue(){ 
        head = null; 
        tail = null; 
        size = 0; 
    } 
 
 
    @Override 
    public int getSize() { 
        return size; 
    } 
 
    @Override 
    public boolean isEmpty() { 
        return size == 0; 
    } 
 
    @Override 
    public void enqueue(E e) { 
        if(tail == null){ 
            tail = new Node(e); 
            head = tail; 
        }else{ 
            tail.next = new Node(e); 
            tail = tail.next; 
        } 
        size ++; 
    } 
 
    @Override 
    public E dequeue() { 
        if(isEmpty()) 
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue."); 
 
        Node retNode = head; 
        head = head.next; 
        retNode.next = null; 
        if(head == null) 
            tail = null; 
 
        size --; 
 
        return retNode.e; 
    } 
 
    @Override 
    public E getFront() { 
        if(isEmpty()) 
            throw new IllegalArgumentException("queue is empty."); 
 
        return head.e; 
    } 
 
    @Override 
    public String toString() { 
        StringBuilder res = new StringBuilder(); 
        res.append("Queue：front  "); 
 
        Node cur = head; 
        while (cur != null) { 
            res.append(cur + "->"); 
            cur = cur.next; 
        } 
        res.append("Null tail"); 
        return res.toString(); 
    } 
} 

5.2.2 测试类

public static void main(String[] args) { 
        LinkedListQueue<Integer> queue = new LinkedListQueue<>(); 
        for (int i = 0; i < 10; i++) { 
            queue.enqueue(i); 
            System.out.println(queue); 
 
            if(i % 3 ==2){ 
                queue.dequeue(); 
                System.out.println(queue); 
            } 
        } 
    } 

打印结果：

Queue：front  0->Null tail 
Queue：front  0->1->Null tail 
Queue：front  0->1->2->Null tail 
Queue：front  1->2->Null tail 
Queue：front  1->2->3->Null tail 
Queue：front  1->2->3->4->Null tail 
Queue：front  1->2->3->4->5->Null tail 
Queue：front  2->3->4->5->Null tail 
Queue：front  2->3->4->5->6->Null tail 
Queue：front  2->3->4->5->6->7->Null tail 
Queue：front  2->3->4->5->6->7->8->Null tail 
Queue：front  3->4->5->6->7->8->Null tail 
Queue：front  3->4->5->6->7->8->9->Null tail 

六、更多链表结构

6.1 双链表

代码：

class Node{ 
  E e; 
  Node next,prev; 
} 

 6.1 循环列表

代码：

class Node{ 
  E e; 
  Node next,prev; 
} 

 在java中，LinkedList 底层使用的就是 循环链表，也就是循环双向链表，到这里我们链表就讲解完成了。