【Java数据结构】初始线性表之一：链表

为什么要有链表

上一节我们描述了顺序表：【Java数据结构】初识线性表之一：顺序表-CSDN博客

并且进行了简单模拟实现。通过源码知道，ArrayList底层使用数组来存储元素。

由于其底层是一段连续空间，当在ArrayList任意位置插入或者删除元素时，就需要将后序元素整体往前或者往后搬移，时间复杂度为O(n)，效率比较低，因此ArrayList不适合做任意位置插入和删除比较多的场景。因此：java集合中又引入了LinkedList，即链表结构。

链表

链表的概念及结构

链表是一种物理存储结构上非连续存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的引用链接次序实现的。

注意：

链表的结构在逻辑上是连续的，但是在物理位置上不一定连续。
节点一般都是从堆上申请出来的。
从堆上申请空间是按一定策略来分配的，两次申请的空间可能会连续，也可能不连续。

实际中链表的结构非常多样，以下情况组合起来就有8种链表结构：

单向或者双向
带头或者不带头
循环或者非循环

本章节我们来描述其中两种：

无头单向非循环链表：结构简单，一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结构的子结构，如哈希桶、图的邻接表等等。
无头双向链表：在Java的集合框架库中LinkedList底层实现就是无头双向循环链表。

模拟实现无头单向非循环链表

模拟实现无头单向非循环链表主要有以下的方法：

public class SingleLinkedList {
   //头插法
   public void addFirst(int data){
  }
   //尾插法
   public void addLast(int data){
  }
   //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
   public void addIndex(int index,int data){
  }
   //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
   public boolean contains(int key){
       return false;
  }
   //删除第一次出现关键字为key的节点
   public void remove(int key){
  }

  //删除所有值为key的节点
   public void removeAllKey(int key){
  }
   //得到单链表的长度
   public int size(){
       return -1;
  }
   public void clear() {
  }

   public void display() {}
}

链表的插入：

链表的删除：

模拟链表的代码实现：

public class MySingLeList {
    static class ListNode{
        public int val;
        public ListNode next;

        public ListNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    public ListNode head;

    public void createList(){
        ListNode node1 = new ListNode(12);
        ListNode node2 = new ListNode(34);
        ListNode node3 = new ListNode(45);
        ListNode node4 = new ListNode(56);
        ListNode node5 = new ListNode(67);

        node1.next = node2;
        node2.next = node3;
        node3.next = node4;
        node4.next = node5;
        this.head = node1;
    }

    public void display(){
        ListNode tmp = this.head;
        while(!(tmp == null)){
            System.out.print(tmp.val+" ");
            tmp = tmp.next;
        }
    }

    public int size(){
        ListNode tmp = this.head;
        int count = 0;
        while(!(tmp == null)){
            count++;
            tmp = tmp.next;
        }
        return count;
    }

    public boolean contains(int findData){
        ListNode tmp = this.head;
        while(!(tmp == null)){
            if(tmp.val == findData){
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public void addFirst(int data){
        ListNode node = new ListNode(data);
        node.next = this.head;
        this.head = node;
    }

    public void addLast(int data){
        ListNode node = new ListNode(data);
        ListNode tmp = this.head;
        if(tmp == null){
            this.head = node;
            return;
        }
        while(!(tmp.next == null)){
            tmp = tmp.next;
        }
        tmp.next = node;
    }

    public void addIndex(int pos,int data){
        ListNode node = new ListNode(data);
        ListNode tmp = this.head;
        if(pos == 0){
            node.next = tmp;
            this.head = node;
            return;
        } else if (pos == this.size()) {
            this.addLast(data);
        } else if (pos > this.size()) {
            System.out.println("输入的位置错误！");
        }else{
            for (int i = 0; i < pos -1; i++) {
                tmp = tmp.next;
            }
            node.next = tmp.next;
            tmp.next = node;
        }
    }

    public void remove(int data){
        int flag = 1;
        ListNode tmp = this.head;
        if(this.head.val == data){
            this.head = this.head.next;
            return;
        }
        while(tmp.next != null){
            if(tmp.next.val== data){
                flag = 0;
                break;
            }
            tmp = tmp.next;
        }
        if(flag == 0){
            tmp.next = tmp.next.next;
        }else{
            System.out.println("链表中没有该元素！");
        }
    }
    public void removeAll(int data){
        ListNode prv = this.head;
        ListNode tmp = this.head.next;
        while(tmp != null){
            if(tmp.val == data){
                prv.next = tmp.next;
                tmp = tmp.next;
            }else{
                prv = tmp;
                tmp = tmp.next;
            }
        }
        if(this.head.val == data){
            this.head = this.head.next;
        }
    }

    public void clear(){
        this.head = null;
    }
}

模拟实现无头双向链表

无头双向链表主要有以下的方法：

public class MyLinkedList {
  //头插法
   public void addFirst(int data){ }
   //尾插法
   public void addLast(int data){}
   //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
   public void addIndex(int index,int data){}
   //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
   public boolean contains(int key){}
   //删除第一次出现关键字为key的节点
   public void remove(int key){}
   //删除所有值为key的节点
   public void removeAllKey(int key){}
   //得到单链表的长度
   public int size(){}
   public void display(){}
   public void clear(){}
}

双向链表的插入：

双向链表的删除：

模拟代码实现：

public class MyLinkedList {
    static class ListNode{
        private int val;
        private ListNode prev;
        private ListNode next;

        public ListNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    ListNode head;
    ListNode last;

        //头插法
        public void addFirst(int data){
            ListNode node = new ListNode(data);
            if(head == null){
                head = node;
                last = node;
            }else{
                node.next = head;
                head.prev = node;
                head = node;
            }
        }
        //尾插法
        public void addLast(int data){
            ListNode node = new ListNode(data);
            if(head == null){
                head = node;
                last = node;
            }else{
                last.next = node;
                node.prev = last;
                last = node;
            }
        }
        //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
        public void addIndex(int pos,int data){
            ListNode node = new ListNode(data);
            ListNode cur = head;
            if(pos == 0){
                addFirst(data);
            }else if(pos == this.size()){
                addLast(data);
            }else if(pos < 0 || pos > this.size()){
                System.out.println("插入位置错误！");
            }else{
                for (int i = 0; i < pos; i++) {
                    cur = cur.next;
                }
                cur.prev.next = node;
                node.prev = cur.prev;
                node.next = cur;
                cur.prev = node;
            }

        }
        //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
        public boolean contains(int key){
            ListNode tmp = this.head;
            while(!(tmp == null)){
                if(tmp.val == key){
                    return true;
                }
            }
            return false;
        }
        //删除第一次出现关键字为key的节点
        public void remove(int key){
            ListNode cur = head;
            while(cur != null){
                if(cur.val == key){
                    if(cur == head){
                        head = head.next;
                        if(head != null){
                            head.prev =null;
                        }else{
                            last = null;
                        }
                        return;
                    }else if(cur == last){
                        last = last.prev;
                        last.next = null;
                        return;
                    }else{
                        cur.prev.next = cur.next;
                        cur.next.prev = cur.prev;
                        return;
                    }
                }else{
                    cur = cur.next;
                }
            }
            System.out.println("没有该元素！");
            return;
        }
        //删除所有值为key的节点
        public void removeAllKey(int key){
            ListNode cur = head;
            while(cur != null){
                if(cur.val == key){
                    if(cur == head){
                        head = head.next;
                        if(head != null){
                            head.prev =null;
                        }else{
                            last = null;
                        }
                    }else if(cur == last){
                        last = last.prev;
                        last.next = null;
                    }else{
                        cur.prev.next = cur.next;
                        cur.next.prev = cur.prev;
                    }
                }
                cur = cur.next;
            }
            System.out.println("没有该元素！");
            return;
        }
        //得到链表的长度
        public int size(){
            int count = 0;
            ListNode cur = head;
            while(cur != null){
                count++;
                cur = cur.next;
            }
            return count;
        }
        public void display(){
            ListNode tmp = this.head;
            while(!(tmp == null)){
                System.out.print(tmp.val+" ");
                tmp = tmp.next;
            }
        }
        public void clear(){
            ListNode cur = head;
            while(cur != null){
                ListNode curNext = cur.next;
                cur.prev = null;
                cur.next = null;
                cur = curNext;
            }
            head = null;
            last = null;
        }
}

LinkedList 的使用

什么是LinkedList

LinkedList的底层是双向链表结构(链表后面介绍)，由于链表没有将元素存储在连续的空间中，元素存储在单独的节点中，然后通过引用将节点连接起来了，因此在在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，效率比较高。

在集合框架中，LinkedList也实现了List接口，具体如下：

注意：

1. LinkedList实现了List接口
2. LinkedList的底层使用了双向链表
3. LinkedList没有实现RandomAccess接口，因此LinkedList不支持随机访问
4. LinkedList的任意位置插入和删除元素时效率比较高，时间复杂度为O(1)
5. LinkedList比较适合任意位置插入的场景

LinkedList 的构造方法

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list1 = new LinkedList<>();//无参构造

        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        List<Integer> list3 = new LinkedList<>(list2);//使用其他集合容器中元素构造List
        list3.add(4);
        System.out.println(list3);
    }
}

LinkedList 常用方法介绍

插入节点

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list1 = new LinkedList<>();
        list1.add(5);
        list1.add(6);
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);//尾插
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        list2.add(1,4);//在指定位置插入节点
        list2.addAll(list1);//尾插其他容器中的所有节点
        System.out.println(list2);
    }
}

删除节点：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        list2.remove(1);//删除指定位置的节点
        list2.remove(new Integer(3));//删除指定元素的节点
        System.out.println(list2);
    }
}

获取指定位置的元素：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);

        System.out.println(list2.get(1));
    }
}

更新指定位置的元素：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        list2.set(1,4);
        System.out.println(list2);
    }
}

判断指定元素是否在链表中：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        System.out.println(list2.contains(new Integer(2)));
    }
}

截取部分 list

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list2 = new LinkedList<>();
        list2.add(1);
        list2.add(2);
        list2.add(3);
        System.out.println(list2.subList(0,2));
    }
}