文章目录
- 一、链表
- 1.1 链表的概念
- 1.2 链表的结构
- 二、LinkedList的简介
- 三、LinkedList的使用
- 3.1 构造方法
- 3.2 常见操作
- 3.3 遍历方法
- 四、LinkedList的模拟实现
- 五、LinkedList 和 ArrayList 的区别
一、链表
1.1 链表的概念
链表（Linked List）是一种常见的数据结构，用于存储和组织数据。它由一系列节点（Node）组成，每个节点包含两个主要部分：数据域（Data）和指针域（Pointer）。
数据域存储节点所需的数据或信息，可以是任意类型的数据，如整数、字符、对象等。指针域则指向链表中的下一个节点，将节点连接起来形成链表结构。
链表中的节点并不一定按照物理上的连续位置存储，而是通过指针域相互连接。这使得链表能够灵活地插入、删除和修改节点，而无需像数组那样进行元素的移动。
链表的优点是可以高效地插入和删除节点，而无需移动其他节点。然而，由于链表中的节点不是连续存储的，访问特定位置的节点需要从头部开始遍历，因此随机访问的效率较低。
1.2 链表的结构
在实际的应用场景中，链表的结构非常多样，以下是常见的链表结构：
- 单项链表
单向链表（Singly Linked List）是一种基本的链表结构，每个节点包含两个主要部分：数据域和指针域。以下是单向链表的结构示意图：
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在单向链表中，每个节点包含一个数据域，用于存储节点所需的数据，以及一个指针域，指向链表中的下一个节点。最后一个节点的指针域通常指向空值（NULL），表示链表的结束。
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通过这种方式，节点之间通过指针链接在一起，形成一个链表结构。链表的头部节点通过外部引用进行访问，然后可以依次遍历访问链表中的每个节点。
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由于单向链表只有一个方向的指针，所以只能从头部节点开始顺序遍历访问，无法直接访问后续节点，也无法在常量时间内进行反向遍历。
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单向链表在插入和删除节点时具有较好的性能，因为只需要修改节点的指针，而不需要移动其他节点。然而，在访问特定位置的节点时，需要从头部节点开始遍历整个链表，导致访问效率较低。
- 双向链表
双向链表（Doubly Linked List）的每个节点包含两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。这使得节点可以在两个方向上进行遍历和访问，提供了更多的灵活性和功能。
以下是双向链表的结构示意图：
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在双向链表中，每个节点包含一个数据域和两个指针域。除了指向下一个节点的指针域（Next Pointer），还有一个指向前一个节点的指针域（Prev Pointer）。头部节点的 Prev Pointer 通常指向空值（NULL），尾部节点的 Next Pointer 也指向空值。
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通过 Prev Pointer 和 Next Pointer，双向链表允许在链表的两个方向上遍历和访问节点。这使得在某些情况下，例如在链表末尾插入或删除节点，可以更高效地操作链表。
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与单向链表相比，双向链表的操作稍微复杂一些，因为每个节点需要维护两个指针。但双向链表提供了更多的功能和灵活性，如可以从头部或尾部快速插入或删除节点，以及可以在两个方向上进行遍历和搜索。
- 带头节点的链表
带头结点的链表在头部添加了一个额外的节点作为头结点（Header Node）或哑节点（Dummy Node），这个头结点不存储任何实际的数据。
以下是带头结点的链表的结构示意图：
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头结点位于链表的起始位置，其主要作用是方便链表的操作和管理。它不存储实际的数据，只包含一个指针域，指向链表中的第一个实际节点。
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带头结点的链表的优点在于简化了链表的操作。它确保链表中始终存在一个非空节点，简化了插入、删除和遍历等操作的实现。此外，头结点可以用于存储链表的一些统计信息或提供其他便利的功能。
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在带头结点的链表中，链表的第一个实际节点为头结点的下一个节点。通过头结点，可以轻松地访问链表中的实际数据节点，并进行相应的操作。
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当遍历带头结点的链表时，通常从头结点的下一个节点开始，直到遇到指针域为 NULL 的节点，表示链表结束。
- 循环链表
循环链表（Circular Linked List）是一种特殊的链表结构，其中最后一个节点的指针指向链表的头部节点，形成一个闭环。
以下是循环链表的结构示意图：
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在循环链表中，每个节点仍然包含数据域和指针域，但最后一个节点的指针域不再指向空值（NULL），而是指向链表的头部节点。
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这样的设计使得链表形成一个循环结构，可以通过任何节点开始遍历整个链表。从任何节点出发，通过指针的循环跳转，可以访问链表中的所有节点。
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循环链表的优点在于在遍历和操作链表时，不需要考虑链表的结束位置。无论从哪个节点开始遍历，总能回到起始位置，避免了在常规链表中遇到的空指针异常。
二、LinkedList的简介
在Java中，LinkedList（链表）是Java集合框架提供的一个实现了List接口的类。它是基于双向链表结构实现的，可以用于存储和操作元素的有序集合。
继承体系结构如下：
三、LinkedList的使用
3.1 构造方法
LinkedList类提供了以下几种构造方法：
- LinkedList()：创建一个空的LinkedList对象。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
- LinkedList(Collection<? extends E> c)：创建一个包含指定集合中的元素的LinkedList对象。集合中的元素将按照迭代器返回的顺序添加到LinkedList中。
List<String> collection = new ArrayList<>();
collection.add("Element 1");
collection.add("Element 2");
LinkedList<String> list = new LinkedList<>(collection);
- LinkedList(LinkedList<? extends E> c)：创建一个包含指定LinkedList中的元素的LinkedList对象。指定LinkedList中的元素将按照迭代器返回的顺序添加到新的LinkedList中。
LinkedList<String> originalList = new LinkedList<>();
originalList.add("Element 1");
originalList.add("Element 2");
LinkedList<String> newList = new LinkedList<>(originalList);
3.2 常见操作
LinkedList类提供了许多用于操作链表的方法。以下是一些常见的操作方法：
- 添加元素：
add(E element)：在链表末尾添加一个元素。addFirst(E element)：在链表开头添加一个元素。addLast(E element)：在链表末尾添加一个元素。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.addFirst("Element 0");
list.addLast("Element 2");
- 获取元素：
get(int index)：获取指定位置的元素。getFirst()：获取链表的第一个元素。getLast()：获取链表的最后一个元素。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
String element = list.get(0);
String firstElement = list.getFirst();
String lastElement = list.getLast();
- 删除元素：
remove(int index)：删除指定位置的元素。removeFirst()：删除链表的第一个元素。removeLast()：删除链表的最后一个元素。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
list.remove(0);
list.removeFirst();
list.removeLast();
- 判断元素是否存在：
contains(Object element)：检查链表是否包含指定元素。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
boolean containsElement = list.contains("Element 1");
- 获取链表大小和清空链表：
size()：获取链表中元素的个数。isEmpty()：检查链表是否为空。clear()：清空链表中的所有元素。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
int size = list.size();
boolean isEmpty = list.isEmpty();
list.clear();
3.3 遍历方法
在LinkedList中，可以使用不同的方式进行遍历操作。下面是几种常见的遍历方法：
- 使用for循环和get方法遍历：
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String element = list.get(i);
// 处理当前元素
System.out.println(element);
}
- 使用增强型for循环遍历：
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
for (String element : list) {
// 处理当前元素
System.out.println(element);
}
- 使用迭代器（Iterator）遍历：
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String element = iterator.next();
// 处理当前元素
System.out.println(element);
}
- 使用Java 8+的Stream API进行遍历：
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Element 1");
list.add("Element 2");
list.stream().forEach(element -> {
// 处理当前元素
System.out.println(element);
});
四、LinkedList的模拟实现
import java.util.Stack;
public class MyLinkList {
static class ListNode {
public int val;
public ListNode prev;
public ListNode next;
public ListNode(int val) {
this.val = val;
}
}
private ListNode head; // 标记双向链表的头部
private ListNode tail; // 标记双向链表的尾部
// 头插
public void addFirst(int data) {
if (this.head == null) {
this.head = new ListNode(data);
this.tail = this.head;
} else {
ListNode node = new ListNode(data);
node.next = this.head;
this.head.prev = node;
this.head = node;
}
}
//尾插
public void addLast(int data) {
if (this.tail == null) {
this.tail = new ListNode(data);
this.head = this.tail;
} else {
ListNode node = new ListNode(data);
this.tail.next = node;
node.prev = this.tail;
this.tail = node;
}
}
//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
public boolean addIndex(int index, int data) {
if (index < 0 || index > size()) {
System.out.println("index位置不合法！");
return false;
}
if (index == 0) {
addFirst(data);
} else if (index == size()) {
addLast(data);
} else {
ListNode cur = head;
while (index != 0) {
cur = cur.next;
index--;
}
ListNode node = new ListNode(data);
ListNode prev = cur.prev;
cur.prev = node;
node.next = cur;
prev.next = node;
node.prev = prev;
}
return true;
}
//查找是否包含关键字key是否在单链表当中
public boolean contains(int key) {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
if (cur.val == key) {
return true;
}
cur = cur.next;
}
return false;
}
//删除第一次出现关键字为key的节点
public void remove(int key) {
// 链表为空
if (head == null) {
return;
} else if (head.val == key) {
// 要删除的元素在头
head = head.next;
if (head == null)
return;
head.prev = null;
} else if (tail.val == key) {
// 要删除的元素在尾
tail = tail.prev;
tail.next = null;
} else {
// 正常情况
ListNode cur = head;
// 注意考虑只有一个元素的情况
while (cur.next != null && cur != tail) {
if (cur.val == key) {
cur.prev.next = cur.next;
cur.next.prev = cur.prev;
return;
}
cur = cur.next;
}
}
}
//删除所有值为key的节点
public void removeAllKey(int key) {
// 空链表
if (null == head) {
return;
}
// 从头开始，出现连续的key
while (head.val == key) {
head = head.next;
if (head == null) {
return;
}
head.prev = null;
}
// 从尾开始出现连续的key
while (tail.val == key) {
tail = tail.prev;
if (tail == null)
return;
tail.next = null;
}
// 其他情况，注意只有一个元素的情况
ListNode cur = head;
while (cur.next != null && cur != tail) {
if (cur.val == key) {
cur.prev.next = cur.next;
cur.next.prev = cur.prev;
}
cur = cur.next;
}
}
//得到单链表的长度
public int size() {
int cnt = 0;
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
cnt++;
cur = cur.next;
}
return cnt;
}
public void display() {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
System.out.print(cur.val + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
private void _display2(ListNode node) {
if (node == null) {
return;
}
if (node.next == null) {
System.out.print(node.val + " ");
return;
}
_display2(node.next);
System.out.print(node.val + " ");
}
// 递归逆序打印链表
public void display2() {
ListNode node = this.head;
_display2(node);
System.out.println();
}
public void _display3(ListNode node) {
if (node == null)
return;
Stack<ListNode> stack = new Stack<>();
while (node != null) {
stack.push(node);
node = node.next;
}
while (!stack.isEmpty()) {
System.out.print(stack.pop().val + " ");
}
System.out.println();
}
// 利用栈逆序打印链表
public void display3() {
ListNode node = this.head;
_display3(node);
}
public void clear() {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
ListNode curNext = cur.next;
cur.val = 0;
cur.prev = null;
cur.next = null;
cur = curNext;
}
this.head = this.tail = null;
}
}
五、LinkedList 和 ArrayList 的区别
LinkedList和ArrayList是Java集合框架中的两种不同的List实现，它们有以下几个区别：
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底层数据结构：LinkedList底层基于链表实现，而ArrayList底层基于动态数组实现。
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插入和删除操作：由于LinkedList是基于链表的数据结构，插入和删除元素的操作比较高效，时间复杂度为O(1)，因为只需要调整节点的指针。而ArrayList的底层是动态数组，插入和删除操作需要移动其他元素，时间复杂度为O(n)，其中n是元素的数量。
-
随机访问：ArrayList支持高效的随机访问，可以通过索引快速获取元素，时间复杂度为O(1)。而LinkedList需要从头开始遍历链表才能找到指定位置的元素，时间复杂度为O(n)，其中n是索引位置。
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内存消耗：由于LinkedList需要额外的指针来维护节点之间的连接关系，因此在存储相同数量的元素时，LinkedList通常会占用更多的内存空间。而ArrayList只需要连续的内存空间来存储元素。
-
迭代器性能：对于迭代器遍历操作，LinkedList的性能较好，因为只需要遍历链表中的节点即可。而ArrayList在使用迭代器遍历时，由于底层是数组，可能会导致性能稍差。
总而言之，当需要频繁进行插入和删除操作，而对于随机访问的需求较少时，LinkedList可能是更好的选择。而当需要频繁进行随机访问，而插入和删除操作较少时，ArrayList更为适合。
