8. 链表
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前面博客我们在讲解数组中，知道数组作为数据存储结构有一定的缺陷。在无序数组中，搜索性能差，在有序数组中，插入效率又很低，而且这两种数组的删除效率都很低，并且数组在创建后，其大小是固定了，设置的过大会造成内存的浪费，过小又不能满足数据量的存储。
本篇博客我们将讲解一种新型的数据结构——链表。我们知道数组是一种通用的数据结构，能用来实现栈、队列等很多数据结构。而链表也是一种使用广泛的通用数据结构，它也可以用来作为实现栈、队列等数据结构的基础，基本上除非需要频繁的通过下标来随机访问各个数据，否则很多使用数组的地方都可以用链表来代替。链表是不能解决数据存储的所有问题的，它也有它的优点和缺点。本篇博客我们介绍几种常见的链表，分别是单向链表、双端链表、有序链表、双向链表。
1、链表（Linked List）
链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在每一个节点里存到下一个节点的指针(Pointer)。每个节点包含任意的实例数据（data fields）和一或两个用来指向上一个/或下一个节点的位置的链接（"links"）
使用链表结构可以克服数组链表需要预先知道数据大小的缺点，链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。但是链表失去了数组随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大。
2、单向链表（Single-Linked List）
单链表是链表中结构最简单的。一个单链表的节点(Node)分为两个部分，第一个部分(data)保存或者显示关于节点的信息，另一个部分存储下一个节点的地址。最后一个节点存储地址的部分指向空值。
单向链表只可向一个方向遍历：
- 查询一个节点的时候需要从第一个节点开始每次访问下一个节点，一直访问到需要的位置。
- 插入一个节点，对于单向链表，我们需要将插入位置的前节点的指针指向自己，而自己的指针指向下一个节点。
- 删除一个节点，我们将该节点的上一个节点的next指向该节点的下一个节点即可。
①、单向链表的具体实现
public class SingleLinkedList {
private int size;//链表节点的个数
private Node head;//头节点
public SingleLinkedList(){
size = 0;
head = null;
}
//链表的每个节点类
private class Node{
private Object data;//每个节点的数据
private Node next;//每个节点指向下一个节点的连接
public Node(Object data){
this.data = data;
}
}
//在链表头添加元素
public Object addHead(Object obj){
Node newHead = new Node(obj);
if(size == 0){
head = newHead;
}else{
newHead.next = head;
head = newHead;
}
size++;
return obj;
}
//在链表头删除元素
public Object deleteHead(){
Object obj = head.data;
head = head.next;
size--;
return obj;
}
//查找指定元素，找到了返回节点Node，找不到返回null
public Node find(Object obj){
Node current = head;
int tempSize = size;
while(tempSize > 0){
if(obj.equals(current.data)){
return current;
}else{
current = current.next;
}
tempSize--;
}
return null;
}
//删除指定的元素，删除成功返回true
public boolean delete(Object value){
if(size == 0){
return false;
}
Node current = head;
Node previous = head;
while(current.data != value){
if(current.next == null){
return false;
}else{
previous = current;
current = current.next;
}
}
//如果删除的节点是第一个节点
if(current == head){
head = current.next;
size--;
}else{//删除的节点不是第一个节点
previous.next = current.next;
size--;
}
return true;
}
//判断链表是否为空
public boolean isEmpty(){
return (size == 0);
}
//显示节点信息
public void display(){
if(size >0){
Node node = head;
int tempSize = size;
if(tempSize == 1){//当前链表只有一个节点
System.out.println("["+node.data+"]");
return;
}
while(tempSize>0){
if(node.equals(head)){
System.out.print("["+node.data+"->");
}else if(node.next == null){
System.out.print(node.data+"]");
}else{
System.out.print(node.data+"->");
}
node = node.next;
tempSize--;
}
System.out.println();
}else{//如果链表一个节点都没有，直接打印[]
System.out.println("[]");
}
}
}②、用单向链表实现栈
public class StackSingleLink {
private SingleLinkedList link;
public StackSingleLink(){
link = new SingleLinkedList();
}
//添加元素
public void push(Object obj){
link.addHead(obj);
}
//移除栈顶元素
public Object pop(){
Object obj = link.deleteHead();
return obj;
}
//判断是否为空
public boolean isEmpty(){
return link.isEmpty();
}
//打印栈内元素信息
public void display(){
link.display();
}
}3、双端链表
对于单项链表，我们如果想在尾部添加一个节点，那么必须从头部一直遍历到尾部，找到尾节点，然后在尾节点后面插入一个节点。这样操作很麻烦，如果我们在设计链表的时候多个对尾节点的引用，那么会简单很多。
①、双端链表的具体实现
public class DoublePointLinkedList {
private Node head;//头节点
private Node tail;//尾节点
private int size;//节点的个数
private class Node{
private Object data;
private Node next;
public Node(Object data){
this.data = data;
}
}
public DoublePointLinkedList(){
size = 0;
head = null;
tail = null;
}
//链表头新增节点
public void addHead(Object data){
Node node = new Node(data);
if(size == 0){//如果链表为空，那么头节点和尾节点都是该新增节点
head = node;
tail = node;
size++;
}else{
node.next = head;
head = node;
size++;
}
}
//链表尾新增节点
public void addTail(Object data){
Node node = new Node(data);
if(size == 0){//如果链表为空，那么头节点和尾节点都是该新增节点
head = node;
tail = node;
size++;
}else{
tail.next = node;
tail = node;
size++;
}
}
//删除头部节点，成功返回true，失败返回false
public boolean deleteHead(){
if(size == 0){//当前链表节点数为0
return false;
}
if(head.next == null){//当前链表节点数为1
head = null;
tail = null;
}else{
head = head.next;
}
size--;
return true;
}
//判断是否为空
public boolean isEmpty(){
return (size ==0);
}
//获得链表的节点个数
public int getSize(){
return size;
}
//显示节点信息
public void display(){
if(size >0){
Node node = head;
int tempSize = size;
if(tempSize == 1){//当前链表只有一个节点
System.out.println("["+node.data+"]");
return;
}
while(tempSize>0){
if(node.equals(head)){
System.out.print("["+node.data+"->");
}else if(node.next == null){
System.out.print(node.data+"]");
}else{
System.out.print(node.data+"->");
}
node = node.next;
tempSize--;
}
System.out.println();
}else{//如果链表一个节点都没有，直接打印[]
System.out.println("[]");
}
}
}②、用双端链表实现队列
public class QueueLinkedList {
private DoublePointLinkedList dp;
public QueueLinkedList(){
dp = new DoublePointLinkedList();
}
public void insert(Object data){
dp.addTail(data);
}
public void delete(){
dp.deleteHead();
}
public boolean isEmpty(){
return dp.isEmpty();
}
public int getSize(){
return dp.getSize();
}
public void display(){
dp.display();
}
}4、有序链表
前面的链表实现插入数据都是无序的，在有些应用中需要链表中的数据有序，这称为有序链表。
在有序链表中，数据是按照关键值有序排列的。一般在大多数需要使用有序数组的场合也可以使用有序链表。有序链表优于有序数组的地方是插入的速度（因为元素不需要移动），另外链表可以扩展到全部有效的使用内存，而数组只能局限于一个固定的大小中。
public class OrderLinkedList {
private Node head;
private class Node{
private int data;
private Node next;
public Node(int data){
this.data = data;
}
}
public OrderLinkedList(){
head = null;
}
//插入节点，并按照从小打到的顺序排列
public void insert(int value){
Node node = new Node(value);
Node pre = null;
Node current = head;
while(current != null && value > current.data){
pre = current;
current = current.next;
}
if(pre == null){
head = node;
head.next = current;
}else{
pre.next = node;
node.next = current;
}
}
//删除头节点
public void deleteHead(){
head = head.next;
}
public void display(){
Node current = head;
while(current != null){
System.out.print(current.data+" ");
current = current.next;
}
System.out.println("");
}
}5、双向链表
我们知道单向链表只能从一个方向遍历，那么双向链表它可以从两个方向遍历。
public class TwoWayLinkedList {
private Node head;//表示链表头
private Node tail;//表示链表尾
private int size;//表示链表的节点个数
private class Node{
private Object data;
private Node next;
private Node prev;
public Node(Object data){
this.data = data;
}
}
public TwoWayLinkedList(){
size = 0;
head = null;
tail = null;
}
//在链表头增加节点
public void addHead(Object value){
Node newNode = new Node(value);
if(size == 0){
head = newNode;
tail = newNode;
size++;
}else{
head.prev = newNode;
newNode.next = head;
head = newNode;
size++;
}
}
//在链表尾增加节点
public void addTail(Object value){
Node newNode = new Node(value);
if(size == 0){
head = newNode;
tail = newNode;
size++;
}else{
newNode.prev = tail;
tail.next = newNode;
tail = newNode;
size++;
}
}
//删除链表头
public Node deleteHead(){
Node temp = head;
if(size != 0){
head = head.next;
head.prev = null;
size--;
}
return temp;
}
//删除链表尾
public Node deleteTail(){
Node temp = tail;
if(size != 0){
tail = tail.prev;
tail.next = null;
size--;
}
return temp;
}
//获得链表的节点个数
public int getSize(){
return size;
}
//判断链表是否为空
public boolean isEmpty(){
return (size == 0);
}
//显示节点信息
public void display(){
if(size >0){
Node node = head;
int tempSize = size;
if(tempSize == 1){//当前链表只有一个节点
System.out.println("["+node.data+"]");
return;
}
while(tempSize>0){
if(node.equals(head)){
System.out.print("["+node.data+"->");
}else if(node.next == null){
System.out.print(node.data+"]");
}else{
System.out.print(node.data+"->");
}
node = node.next;
tempSize--;
}
System.out.println();
}else{//如果链表一个节点都没有，直接打印[]
System.out.println("[]");
}
}
}6、总结
上面我们讲了各种链表，每个链表都包括一个LinikedList对象和许多Node对象，LinkedList对象通常包含头和尾节点的引用，分别指向链表的第一个节点和最后一个节点。而每个节点对象通常包含数据部分data，以及对上一个节点的引用prev和下一个节点的引用next，只有下一个节点的引用称为单向链表，两个都有的称为双向链表。next值为null则说明是链表的结尾，如果想找到某个节点，我们必须从第一个节点开始遍历，不断通过next找到下一个节点，直到找到所需要的。栈和队列可以用数组来实现，也可以用链表实现。