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【数据结构】单链表 双向链表


【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

链表

链表就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 。
也是线性表。
数据域：存储数据元素信息的域。
指针域：存储直接后继的信息。

【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

链表的分类

链表根据三个条件分类：

  1. 有头无头：有没有头结点，头结点的数据域是无用的。
  2. 是否循环：尾结点又指回头。
  3. 单向还是双向：指针域包不包含指向前面域的指针。

根据以上3个条件来分类（每一个条件选一），链表一共有8种。

单链表

单链表全称为：无头单向不循环链表。

单链表接口的实现

自己实现一个单链表（存储int数据类型），将单链表作为一个类，我们实现一些“接口”即成员方法来实现数据的增删查改。

// 1、无头单向非循环链表实现
 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 boolean 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();
     //清空链表
     public void clear();
 }

内部类

因为我们需要使用数据域，指针域，在链表中一个一个串起来。那我们就将数据域指针域使用一个静态内部类来封装。只将第一个节点用head来表示。

注意：此处的head不是链表分类时的头，因为分类的头的数据域的数据是无效的而此处是有效的。

public class SingleLinkedList {


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

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

    public ListNode head;
}

头插法

实现思路：
将当前节点的下一个节点（next）指向头（head），再改头为当前节点。

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

尾插法

实现思路：

  1. 先判断链表是否为空，为空头指向尾插节点（因为尾插涉及尾结点的next，链表如果为空就会空指针异常）。
  2. 链表不为空，使用循环找到尾结点，next指向尾插节点。
public void addLast(int data){
        if(head == null){
            head = new ListNode(data);
        }
        ListNode cur = head;
        while(cur.next != null){
            cur = cur.next;
        }
        cur.next = new ListNode(data);
    }

任意位置插入

实现思路：

  1. 先判断插入位置合法吗，不合法就抛异常。
  2. 头尾位置插入调用头插尾插函数即可。
  3. 中间节点插入找到前一个位置记录下来，当前位置记录下来， 在改插入节点和前一个节点的next。
public boolean addIndex(int index,int data) throws IndexIllegalException{
        try{
            if(index < 0 || index > size()){
                throw new IndexIllegalException("位置不合法");
            } else if (index == 0) {
                addFirst(data);
                return true;
            } else if (index == size()) {
                addLast(data);
                return true;
            }else{
                ListNode cur = head;
                ListNode pre = head;
                ListNode newNode = new ListNode(data);

                for (int i = 0; i < index-1; i++) {
                    cur = cur.next;
                    pre = pre.next;
                }
                newNode.next = cur.next;
                pre.next = cur;
                return true;
            }
        }catch(IndexIllegalException e){
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
    }

查找是否包含关键字key是否在单链表当中

使用循环遍历即可。

public boolean contains(int key){
        ListNode cur = head;
        for (int i = 0; i < size(); i++) {
            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

实现思路：

  1. 看链表是否为空，空直接返回。
  2. 先看头结点是不是要删的节点（因为删除会涉及被删节点的前一个节点），是直接将头指向下一个节点。
  3. 循环找到当前节点，让前一个节点next指向当前节点的next即可。
public void remove(int key){
        if(head == null){
            return;
        } else if (head .val == key) {
            head = head.next;
            return;
        }
        ListNode cur = head.next;
        ListNode pre = head;

        while(cur != null){
            if(cur.val == key){
                pre.next = cur.next;
                return;
            }
            cur = cur.next;
            pre = pre.next;
        }
    }

删除所有值为key的节点

跟删除一个节点一个逻辑只不过删除后不返回，并且头结点最后判断。

 public void removeAllKey(int key){
        if(head == null){
            return;
        }
        ListNode cur = head.next;
        ListNode pre = head;

        while(cur != null){
            if(cur.val == key){
                pre.next = cur.next;
                cur = cur.next;

            }else {
                cur = cur.next;
                pre = pre.next;
            }
        }
        if(head.val == key){
            head = head.next;
        }
    }

得到单链表的长度

直接循环遍历就行。

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

清空链表

直接循环将每一个节点置空，注意置空前要将头先向后走。

public void clear(){
        ListNode cur = head;
        while (cur != null){
            head = cur.next;
            cur = null;
            cur = head;
        }
    }

单链表的优缺点

优缺点如下：

  • 优点：单向链表增加删除节点简单。
  • 缺点：只能从头到尾遍历，只能找到后继。

双向链表

在Java的集合类中使用的是无头双向非循环链表。
【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

双向链表接口的实现

自己实现一个双向链表（存储int数据类型），将双向链表作为一个类，我们实现一些“接口”即成员方法来实现数据的增删查改。

 // 2、无头双向链表实现
 public class LinkedList {
     //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 boolean 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);
     //得到链表的长度
     public int size();
     //情空链表
     public void clear();
 }

内部类

因为我们需要使用数据域，指针域，在链表中一个一个串起来。那我们就将数据域指针域使用一个静态内部类来封装。只将第一个节点用head来表示，最后一个节点用last表示。

注意：此处的head不是链表分类时的头，因为分类的头的数据域的数据是无效的而此处是有效的。

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

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

头插法

实现思路：

  1. 如果当前链表为空就直接将头尾指向当前节点。
  2. 如果不是先将插入节点的下一个指向头，头的前一个指向插入节点，头指向插入节点。
    public void addFirst(int data){
        ListNode cur = new ListNode(data);
        if(head == null){
            head = last = cur;
            return;
        }
        cur.next = head;
        head.prev = cur;
        head = cur;
    }

尾插法

实现思路：

  1. 看链表是否为空，为空直接头和尾指向插入节点。
  2. 链表不为空，将尾结点的next指向插入节点，将插入节点的prev指向尾结点，将尾结点改为插入节点。
public void addLast(int data){
        ListNode cur = new ListNode(data);
        if(last == null){
            head = last = cur;
            return;
        }
        last.next = cur;
        cur.prev = last;
        last = cur;
    }

任意位置插入

实现思路：

  1. 判断位置是否合法，不合法抛异常。
  2. 插入位置为头尾，对应调用头插方法，尾插方法。
  3. 找到插入位置对应节点，将插入节点前驱prev改为对应节点前驱，对应节点前驱改为插入节点，插入节点后继next改为对应节点。
public boolean addIndex(int index,int data) throws IndexIllegalException{
        try{
            if(index < 0 || index > size()){
                throw new IndexIllegalException("插入位置不合法");
            } else if (index == 0) {
                addFirst(data);
                return true;
            } else if (index == size()) {
                addLast(data);
                return true;
            }else {
                ListNode cur = head;
                ListNode newNode = new ListNode(data);
                for (int i = 0; i < index; i++) {
                    cur = cur.next;
                }
                newNode.prev = cur.prev;
                cur.prev = newNode;
                newNode.next = cur;
                return true;
            }

        }catch (IndexIllegalException e){
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
    }

查找是否包含关键字key是否在单链表当中

直接循环遍历就行。

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

实现思路：

  1. 先判断头节点是不是要删的节点，是将下一个节点前驱prev置为空，头指向下一个节点，返回。
  2. 循环遍历除头尾节点外的节点，找到被删节点，将该节点前一个节点的后继next改为该节点的下一个节点，该节点后一个节点的前驱prev改为该节点的前一个，返回。
  3. 如果都不是，判断尾节点，将尾结点的前一个节点的后继next置为空，尾结点改为前一个节点，返回。
public void remove(int key){
        ListNode cur = head;
        if(head.val == key){
            head.next.prev = null;
            head = head.next;
            return;
        } else {
            while(cur.next != null){
                if(cur.val == key){
                    cur.prev.next = cur.next;
                    cur.next.prev = cur.prev;
                    return;
                }
                cur = cur.next;
            }
            if (last.val == key) {
                last.prev.next = null;
                last = last.prev;
                return;
            }
        }
    }

删除所有值为key的节点

  1. 先循环遍历除头尾节点外的节点，找到被删节点，将该节点前一个节点的后继next改为该节点的下一个节点，该节点后一个节点的前驱prev改为该节点的前一个。
  2. 判断头节点是不是要删的节点，是将下一个节点前驱prev置为空，头指向下一个节点。
  3. 判断尾节点，将尾结点的前一个节点的后继next置为空，尾结点改为前一个节点。
public void removeAllKey(int key){
        ListNode cur = head.next;
        while(cur.next != null){
            if(cur.val == key){
                cur.prev.next = cur.next;
                cur.next.prev = cur.prev;
            }
            cur = cur.next;
        }
        if(head.val == key){
            head.next.prev = null;
            head = head.next;
        }
        if (last.val == key) {
            last.prev.next = null;
            last = last.prev;
        }
    }

得到链表的长度

直接循环遍历即可。

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

清空链表

实现思路：

  1. 先循环遍历将每一个节点前驱prev后继next置为空。
  2. 最后将头head和为last置为空。
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;
    }
}

Java中的LinkedList

在Java中用集合类LinkedList来表示双向链表。

实现的接口

【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

接口说明：

  • 没有实现RandomAccess接口，不能随机访问。
  • 实现了Cloneable接口，可克隆。
  • Serializable接口表示支持序列化。

构造方法

Java中提供了两个构造方法。

常用方法

提供的常用方法与上面实现的差不多。
【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

双向链表的优劣

优缺点如下：

  • 优点：可以找到前驱和后继，可进可退。
  • 确点：删除节点复杂，需要多分配一个指针域。

ArrayList和LinkedList对比

对比如下图：
【数据结构】单链表 双向链表-LMLPHP

链表练习

删除链表中等于给定值 val 的所有节点
反转一个单链表
链表的中间节点
合并两个有序链表
链表分割
链表的回文结构
相交链表
环形链表

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