数据结构线性结构篇—链表

一、数据前言

在前面两章我们讲解了动态数组、结构结构栈和队列的线性讲解，这些底层都是篇链依托静态数组，靠 resize解决固定容量问题的数据，之前虽然用户看到的结构结构是动态数组，但是线性依然使用的是静态数组，他是篇链依靠 resize 这个方法解决 固定容量问题 ，但是数据我们今天要讲解的 链表 不一样，链表是结构结构我们数据结构学习的一个重点，也有可能是线性一个难点，为什么链表这么重要呢?篇链因为他是最简单的也是 真正的动态数据结构。

二、数据为什么链表很重要

链表是结构结构一个真正的动态数据结构 最简单的网站模板动态数据结构 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 中大家不用手动的线性管理内存，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 是云服务器一种数据结构，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服务器托管，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

/**  * 底层链表的内部类  * @param <E>  */ public class LinkedList<E> {      //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

/**  * 底层链表的内部类  * @param <E>  */ public class LinkedList<E> {      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：

/**  * @program: Data-Structures  * @ClassName Stack  * @description:  * @author: lyy  * @create: 2019-11-20 21:51  * @Version 1.0  **/ public interface Stack<E> {      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<E> implements Stack<E> {      private LinkedList1<E> 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

/**  * @program: Data-Structures  * @ClassName Queue  * @description:  * @author: lyy  * @create: 2019-11-21 21:54  * @Version 1.0  **/ public interface Queue<E> {      int getSize();     boolean isEmpty();     void enqueue(E e);     E dequeue();     E getFront(); } 

5.2.2 实现类

public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E>{      //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。

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