【数据结构——链表深度探索】从实现到应用，保姆级攻略
- 🍁1. 链表的介绍
- 🍁2. 链表的实现
- 🍁2.1 单向链表
- 🍁2.1.1 size()
- 🍁2.1.2 display()
- 🍁2.1.3 contains(int key)
- 🍁2.1.4 addFirst(int key)，addLast(int key)，addIndex(int key, int index)
- 🍁2.1.5 remove(int key)，removeAllKey(int key)
- 🍁2.1.6 clear()
- 🍁2.2 双向链表
- 🍁2.2.1 addFirst(int key)
- 🍁2.2.2 addLast(int key)
- 🍁2.2.3 addIndex(int key, int index)
- 🍁2.2.4 remove(int key)和removeAllKey(int key)
- 🍁2.2.5 clear()
- 🍁3. Java中LinkedList的使用
- 🍁3.1 LinkedList的创建和使用
- 🍁3.2 LinkedList的遍历
- 🍁4. ArrayList和LinkedList的区别
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🍁1. 链表的介绍
链表是数据结构中一种非常重要的基础结构，它不同于数组，链表中的元素在物理存储上并不连续，而是通过指针（或引用）连接在一起。在Java中，链表的应用非常广泛，尤其是在需要动态添加或删除元素的场景中。
🍁2. 链表的实现
🍁2.1 单向链表
单链表中的每个元素都称为节点（Node），每个节点包含两个部分：一部分存储数据（value），另一部分存储指向列表中下一个节点的引用（next）。最后一个节点的next引用为null，表示链表的结束。
所以采用内部类的形式进行创建：
public class MySingleList {
static class ListNode {
public int value;
public ListNode next;
public ListNode(int value) {
this.value = value;
}
}
public ListNode head;
}
还可以创建一个IList接口，对其中的增删查改等方法进行规范，之后MySingleList对接口进行实现
public interface IList {
void display();
int size();
boolean contains(int key);
void addFirst(int key);
void addLast(int key);
void addIndex(int key,int index);
void remove(int key);
void removeAllKey(int key);
void clear();
}
接下来就是方法的实现
🍁2.1.1 size()
返回长度:
只需要将head依次往末尾移动，并记录移动次数进行返回就可以了，当head为null时就表示已经遍历完成
public int size() {
ListNode cur = head;
int cnt = 0;
while (cur != null) {
cnt++;
cur = cur.next;
}
return cnt;
}
🍁2.1.2 display()
遍历打印:
遍历的话需要找到头节点，接着依次往后移动，为了不该变头节点的指向，创建一个cur节点辅助遍历，同样的，结束的标志也是最后的指向不为空
public void display() {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
System.out.print(cur.value + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
🍁2.1.3 contains(int key)
判断值是否存在链表中，这里同样需要依次遍历，然后比较value的值
public boolean contains(int key) {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
return true;
}
cur = cur.next;
}
return false;
}
🍁2.1.4 addFirst(int key)，addLast(int key)，addIndex(int key, int index)
头插：
头插比较简单，直接创建一个节点，并初始化值，指向原来的head节点，接着改为新的head节点
public void addFirst(int key) {
ListNode node = new ListNode(key);
node.next = head;
head = node;
}
尾插：
尾插就需要判断head节点是否为null，接着找到尾节点进行插入
public void addLast(int key) {
ListNode node = new ListNode(key);
//头结点为null，直接插入
if (head == null) {
head = node;
return;
}
//找到尾节点进行插入
ListNode cur = head;
while (cur.next != null) {
cur = cur.next;
}
cur.next = node;
}
在指定索引插入：
在指定索引插入就更加麻烦一些，需要对传入的索引进行判断，如果是0.就调用头插的方法，如果等于链表的长度，就调用尾插的方法，如果是中间的索引，就遍历链表，找到该索引进行插入
public void addIndex(int key, int index) {
ListNode node = new ListNode(key);
//调用头插
if (index == 0) {
addFirst(key);
return;
}
//调用尾插
if (index == this.size()) {
addLast(key);
return;
}
//传入索引不合法的情况
if (index < 0 || index > this.size()) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
}
//找到目标索引进行插入
ListNode cur = head;
while (index - 1 != 0) {
cur = cur.next;
index--;
}
node.next = cur.next;
cur.next = node;
}
🍁2.1.5 remove(int key)，removeAllKey(int key)
删除指定元素：
如果head为空，直接返回，如果head的value就是目标元素，就把head的下一个节点作为头结点，其他情况就根据value的值寻找目标索引，如果没找到就返回，也就是cur节点为null，找到的话把cur的引用指向cur的之后第二个节点
//根据元素找到目标索引
private ListNode findIndexofKet(int key) {
ListNode cur = head;
while (cur.next != null) {
if (cur.next.value == key) {
return cur;
}
cur = cur.next;
}
return null;
}
public void remove(int key) {
//头结点为空
if (head == null) {
return;
}
//头结点为目标元素
if (head.value == key) {
head = head.next;
}
//其他节点为目标元素
ListNode cur = findIndexofKet(key);
if (cur == null) {
return;
}
cur.next = cur.next.next;
}
删除所有指定元素：
需要有两个指针，同时往后遍历，删除cur节点所指元素需要将pre节点的next指向cur的next，循环判断，最后还要判断head节点是否为指定元素
public void removeAllKey(int key) {
//头结点为null，直接返回
if (this.head == null) {
return;
}
ListNode pre = head;
ListNode cur = head.next;
//循环删除
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
pre.next = cur.next;
cur = cur.next;
} else {
pre = cur;
cur = cur.next;
}
}
//判断头结点
if (head.value == key) {
head = head.next;
}
}
🍁2.1.6 clear()
清空链表：
清空链表只需要遍历链表所有节点，将每一个节点置为null即可，因为是从头结点开始，如果直接将head置为null，后续再找head.next就会报错，所以还需要用一个中间变量cur辅助遍历
public void clear() {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
//创建变量，解决空指针异常
ListNode curn = cur.next;
cur = null;
cur = curn.next;
}
head = null;
}
🍁2.2 双向链表
双向链表有两个指针域，一个指向前一个节点，一个指向后一个节点
public class MyLinkedList implements IList {
static class TListNode {
public int value;
TListNode pre;
TListNode next;
public TListNode(int value) {
this.value = value;
}
}
public TListNode head;
public TListNode last;
}
双向链表的size() ，display()，contains(int key)和单向链表是一样的，下面来实现其他的方法
🍁2.2.1 addFirst(int key)
头插：
public void addFirst(int key) {
TListNode node = new TListNode(key);
if (head == null) {
head = last = node;
} else {
node.next = head;
head.pre = node;
head = node;
}
}
🍁2.2.2 addLast(int key)
尾插：
public void addLast(int key) {
TListNode node = new TListNode(key);
if (head == null) {
head = last = node;
} else {
last.next = node;
node.pre = last;
last = last.next;
}
}
🍁2.2.3 addIndex(int key, int index)
指定位置插入：
public void addIndex(int key, int index) {
TListNode node = new TListNode(key);
if(index < 0 || index > size()) return;
if (index == 0) {
addFirst(key);
return;
}
if (index == size()) {
addLast(key);
}
if (index > 0 && index < size()) {
TListNode cur = head;
//可以直接到indext的位置，因为双向链表可以找到前一个节点
while (index-- != 0) {
cur = cur.next;
}
node.next = cur;
cur.pre.next = node;
node.pre = cur.pre;
cur.pre = node;
}
}
需要修改四个位置，把要插入的节点node的next 指向cur，再把cur.pre的next指向node，此时节点的next都有了指向，接着node的pre指向cur.pre节点，cur的pre再指向node，此时就完成了插入
🍁2.2.4 remove(int key)和removeAllKey(int key)
首先找到要删除的值的索引
private TListNode findIndexofKet(int key) {
TListNode cur = head;
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
return cur;
}
cur = cur.next;
}
return null;
}
删除的时候还要考虑是否为头结点和尾节点
public void remove(int key) {
TListNode cur = findIndexofKet(key);
if(cur == null){
return;
}
//头节点的情况
if(cur == head){
head = cur.next;
//只有一个节点时，指向next后head为null所以当head！=空时才能把pre置为null
if (head != null) {
head.pre = null;
}
}else{
cur.pre.next = cur.next;
//尾节点的情况
if(cur.next == null){
last = last.pre;
}else{
cur.next.pre = cur.pre;
}
}
}
相比于单向链表，双向链表的删除所有指定元素就非常简单了，只需要在原来删除一个的基础上稍加修改就可以了
public void removeAllKey(int key) {
TListNode cur = head;
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
if (cur == head) {
head = cur.next;
if (head != null) {
head.pre = null;
}
} else {
cur.pre.next = cur.next;
if (cur.next == null) {
last = last.pre;
} else {
cur.next.pre = cur.pre;
}
}
}
cur = cur.next;
}
}
🍁2.2.5 clear()
清空链表还是依次遍历每一个节点，把每一个节点都置为null，最后把head和last也置为null
public void clear() {
TListNode cur = head;
while(cur.next!=null){
TListNode curn = cur;
curn.pre = null;
curn.next = null;
cur = curn;
}
head = last = null;
}
🍁3. Java中LinkedList的使用
🍁3.1 LinkedList的创建和使用
在上一篇数据结构ArrayList的讲解中已经简单提到过👉点我看回顾，集合的一些基本框架，LinkedList也实现了List接口，所以也可以通过接口创建对象，也可以使用List接口中的方法
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<Integer> list1 = new LinkedList<>();
List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
list1.add(1);
list1.add(2);
System.out.println(list1);
list2.add(1);
list2.add(3);
System.out.println(list2);
}
}
可以直接对LinkedList的对象进行打印，也就是说LinkedList重写了toSting方法
这些都是LinkedList中独有的方法，这里就不列举使用了，
🍁3.2 LinkedList的遍历
LinkedList的遍历和ArrayList的遍历方式一样，在上一篇介绍了五种遍历方式，这次再简单回顾一下
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<Integer> list1 = new LinkedList<>();
list1.add(1);
list1.add(2);
list1.add(3);
list1.add(4);
//迭代器 ListIterator
ListIterator<Integer> lit = list1.listIterator();
while(lit.hasNext()){
System.out.print(lit.next() + " ");
}
System.out.println();
//Iterator
Iterator<Integer> it = list1.iterator();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next() + " ");
}
System.out.println();
//增强for
for(Integer l : list1){
System.out.print(l + " ");
}
System.out.println();
//普通for
for(int i = 0;i < list1.size();i++){
System.out.print(list1.get(i) + " ");
}
System.out.println();
//lambda表达式
list1.forEach(e -> {
System.out.print(e + " ");
});
System.out.println();
}
}
🍁4. ArrayList和LinkedList的区别
ArrayList底层是一个动态数组
LinkedList底层是双向链表
ArrayList:访问元素的时间复杂度为 O(1)（直接通过索引）。
LinkedList:访问元素的时间复杂度为 O(n)（需要从头或尾开始遍历到目标位置）。
ArrayList:
在末尾添加元素的时间复杂度为 O(1)。
在中间插入或删除元素时，时间复杂度为 O(n)，因为需要移动其他元素以保持连续的内存块。
LinkedList:
在任意位置添加或删除元素的时间复杂度为 O(1)，只需改变前后节点的指针（需要先找到目标位置，时间复杂度为 O(n)）。
使用场景：
ArrayList:
适合频繁读取、随机访问元素的场景。
如需要大量顺序读写、索引访问操作。
LinkedList:
适合频繁插入、删除元素的场景，尤其是在列表中间进行操作。
如需要频繁的增删操作，但不常用到随机访问。
