数据结构（4）：链表的原理和实现

上、简单的单端链表

完整代码向下拉

链表是一种常用的数据结构，在插入和移除操作中有着优秀的表现，同为数据结构的数组哭晕，其实数组的访问效率比链表高多了有木有。

我们先看一下链表的样子

有同学可能要说了，这不就是我们生活中的交通工具——火车，没错链表的结构和下图简直就是一个模子刻出来的。(咳咳，忽略这灵魂的画法)

通过火车示意图可以观察到，火车由火车头和n节车厢组成，每节车厢都与下一节车厢相连，能理解这句话，链表你就掌握一半了。

以小学掌握的物品分类知识来对上图进行面向对象抽象，火车整体可以认为是链表，火车又由车厢组成的，同样可以理解链表是由节点组成的，链表起到了组合节点的作用。

1、创建节点(车厢)

车厢都有哪些特点呢？车厢能存放物品，车厢与下一节车厢相连。

public class Node {
    public Object data;//存放的数据
    public Node next;//指向下一个节点

    public Node(Object value) {
        this.data = value;
    }

    //展示节点数据
    public void display() {
        System.out.print(data+" ");
    }
}

2、创建链表（将车厢组合）

在现实中我们要想查看整个火车由一个十分暴力的方法，那就是找到火车头，找到火车头后沿着每节车厢向后查找就可以完整的查看整辆火车。

public class LinkList {
    private Node first;//第一个节点
}

在代码中 Node 类已经声明了指向下一个节点的属性，所以只需要找到第一个节点，调用next属性即可无限向后查找。

3、判断链表是否为空

第一个节点为空即为链表为空

public boolean isEmpty() {
    return first == null;
}

4、添加数据到链表的头部

添加数据到链表头部，就是将新节点的next指向原来的首节点，再将新节点标记为first即可。

public void addFirst(Object value) {
    Node newNode = new Node(value);//创建新节点
    if (isEmpty()) {
        first = newNode;//没有节点时直接标记为首节点
    } else {
        newNode.next = first;//新节点next指向旧的首节点
        first = newNode;
    }
}

5、移除首节点

并非真正意义上的移除，而是将first指向first.next的内存地址，而原来的first会被垃圾回收器回收。

public Node removeFirst() {
    if (isEmpty()) {
        return null;
    }
    Node tmp = first;
    first = first.next;
    return tmp;
}

6、查看链表

由于链表中的每个节点都有变量指向下一个节点，所有可以使用循环递进获取下一个节点实现遍历的效果。

public void display() {
    Node current = first;//先从首节点开始
    while (current != null) {
        current.display();//节点不为空，则打印该节点信息
        current = current.next;//获取当前节点的下个节点重新放入current中
        System.out.println();
    }
}

7、根据值查找链表中的节点

需要遍历节点，将每个节点的值都与要查找的值进行比对，如果值不相等就一直循环，直到最后一个节点为空时表示没有查到。

public Node find(Object value) {
    if (isEmpty()) {
        return null;
    }
    Node current = first;
    while (current.data != value) {
        if (current.next==null){
            return null;
        }
        current = current.next;
    }
    return current;
}

8、根据值移除节点

移除时同样遍历所有节点，但要保存查到节点的之前节点(previous)，如果查到的节点是第一个节点，直接移除第一个，否则就将前一个节点指向要移除节点的下一个。

public Node remove(Object value){
    if (isEmpty()) {
        return null;
    }
    Node current = first;
    Node previous = first;
    while (current.data != value) {
        if (current.next==null){
            return null;
        }
        previous = current;
        current = current.next;
    }
    if (current==first){
        removeFirst();
    }else{
        previous.next=current.next;
    }

    return current;
}

9、完整代码

public class LinkList {
    private Node first;//第一个节点

    public void addFirst(Object value) {
        Node newNode = new Node(value);//创建新节点
        if (isEmpty()) {
            first = newNode;//没有节点时直接标记为首节点
        } else {
            newNode.next = first;//新节点next指向旧的首节点
            first = newNode;
        }
    }

    public Node removeFirst() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        Node tmp = first;
        first = first.next;
        return tmp;
    }

    public void display() {
        Node current = first;//先从首节点开始
        while (current != null) {
            current.display();//节点不为空，则打印该节点信息
            current = current.next;//获取当前节点的下个节点重新放入current中
            System.out.println();
        }
    }

    public Node find(Object value) {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        Node current = first;
        while (current.data != value) {
            if (current.next==null){
                return null;
            }
            current = current.next;
        }
        return current;
    }
    public Node remove(Object value){
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        Node current = first;
        Node previous = first;
        while (current.data != value) {
            if (current.next==null){
                return null;
            }
            previous = current;
            current = current.next;
        }
        if (current==first){
            removeFirst();
        }else{
            previous.next=current.next;
        }

        return current;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return first == null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LinkList linkList = new LinkList();
        linkList.addFirst("a");
        linkList.addFirst("b");
        System.out.println("-0---");
        linkList.remove("a");
        linkList.display();

    }

    public class Node {
        public Object data;//存放的数据
        public Node next;//指向下一个节点

        public Node(Object value) {
            this.data = value;
        }

        //展示节点数据
        public void display() {
            System.out.print(data+" ");
        }
    }
}

单端链表还是有一些不足，比如我们要操作最后一个节点需要遍历整个链表，下一节咱们实现双端链表，提高操作最后一个节点的效率。

中、操作更简单的双端链表

上节文章中咱们了解了链表的结构及原理，但是还有些美中不足的地方，就是无法快速的访问链表中的最后一个节点。
在这节文章中咱们来解决这个问题，一起来吧。

首先先看如何快速访问尾节点，其实这个可以通过一个变量指向尾节点，在做插入、删除时更新尾节点即可。

1、创建节点

节点用于存储数据和下一个节点相连

public class Node {
    public Object data;//存放的数据
    public Node next;//指向下一个节点

    public Node(Object value) {
        this.data = value;
    }

    //展示节点数据
    public void display() {
        System.out.print(data + " ");
    }
}

2、创建链表

操作节点和指向首尾两个节点

public class DoubleEndLinkList {
    private Node first;//第一个节点
    private Node last;//最后一个节点
}

3、向前添加节点

如果加入的节点是第一个节点，这个节点是首节点同时也是尾节点。如果已经有节点则让新节点指向原来的首节点，让首节点指向新节点。

public void addFirst(Object value) {
    Node newNode = new Node(value);
    if (isEmpty()) {
        //如果为空，尾节点指向此节点
        last = newNode;
    }
    //更替新节点
    newNode.next = first;
    first = newNode;
}

4、向后添加节点

和向前添加相反，因为链表中last始终指向最后一个节点，所以操作last节点。

public void addLast(Object value) {
    Node newNode = new Node(value);
    if (isEmpty()) {
        //如果为空，首节点和尾节点指向此节点
        first = newNode;
        last = newNode;
        return;
    }
    //更替尾节点
    last.next = newNode;
    last = newNode;
}

5、移除首节点

移除首节点时将首节点的下一个节点标记为首节点即可，直到首节点与尾节点相同时(这时也意味这只剩一个节点)不再需要轮替，直接将首尾节点设置为null。

public Node removeFirst() {
    if (isEmpty()) {
        return null;
    }
    Node tmp = first;
    //仅剩一个节点时
    if (first == last) {
        first = null;
        last = null;
        return tmp;
    }
    //无论有多少个节点都会轮替到first==last
    first = first.next;

    return tmp;
}

6、完整代码

package com.jikedaquan.datastruct;

public class DoubleEndLinkList {
    private Node first;//第一个节点
    private Node last;//最后一个节点

    public void addFirst(Object value) {
        Node newNode = new Node(value);
        if (isEmpty()) {
            //如果为空，尾节点指向此节点
            last = newNode;
        }
        //更替新节点
        newNode.next = first;
        first = newNode;
    }

    public void addLast(Object value) {
        Node newNode = new Node(value);
        if (isEmpty()) {
            //如果为空，首节点和尾节点指向此节点
            first = newNode;
            last = newNode;
            return;
        }
        //更替尾节点
        last.next = newNode;
        last = newNode;
    }

    public Node removeFirst() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        Node tmp = first;
        //仅剩一个节点时
        if (first == last) {
            first = null;
            last = null;
            return tmp;
        }
        //无论有多少个节点都会轮替到first==last
        first = first.next;

        return tmp;
    }


    public void display() {
        Node current = first;//先从首节点开始
        while (current != null) {
            current.display();//节点不为空，则打印该节点信息
            current = current.next;//获取当前节点的下个节点重新放入current中
            System.out.println();
        }
    }

    public boolean isEmpty() {
        return first == null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        DoubleEndLinkList linkList = new DoubleEndLinkList();
        linkList.addLast("e");
        linkList.addFirst("a");
        linkList.addFirst("b");
        linkList.removeFirst();
        linkList.removeFirst();
        linkList.removeFirst();
        linkList.display();
        System.out.println("-0---");
        linkList.addLast("c");
        linkList.addFirst("1");
        linkList.display();
        System.out.println("-0---");
        linkList.removeFirst();
        linkList.removeFirst();

        linkList.addLast(9);
        linkList.display();
        System.out.println("-0---");
        linkList.display();
    }

    public class Node {
        public Object data;//存放的数据
        public Node next;//指向下一个节点

        public Node(Object value) {
            this.data = value;
        }

        //展示节点数据
        public void display() {
            System.out.print(data + " ");
        }
    }
}

双端链表能同时向首尾添加新元素，用双端链表实现队列也成为了可能(比用数组实现效率更高)，但是如何快速移除最后一个元素(因为不能快速的追溯之前的元素)成为了一个新难题，请看下一节 双向链表！

下、方便高效的双向链表

单向链表每个节点指向下一个节点，而双向链表是指每个节点还指向了前一个节点。这样做的好处是可以快速的移除最后一个元素。

1、保存数据的节点

节点除了指向下一个节点还要指向前一个节点

public class Node {
    public Object data;//存放的数据

    public Node previous;//指向前一个节点
    public Node next;//指向下一个节点

    public Node(Object value) {
        this.data = value;
    }

    //展示节点数据
    public void display() {
        System.out.print(data + " ");

    }
}

2、创建链表指向首元素和尾元素

public class TwoWayLinkList {
    private Node first;
    private Node last;
}

3、向前添加元素

考虑到链表为空时，首元素和尾元素均指向新元素。

public void addFirst(Object value) {
    Node newNode = new Node(value);
    if (isEmpty()) {
        last = newNode;
        first = newNode;
        return;
    }
    //新首元素指向旧首元素
    newNode.next = first;
    //旧首元素的前一个指向新首元素
    first.previous = newNode;
    //更替首元素
    first = newNode;
}

4、向后添加元素

由于是双向的，所以之前的引用和之后的引用都要更新

public void addLast(Object value) {
    Node newNode = new Node(value);
    if (isEmpty()) {
        first = newNode;
        last = newNode;
        return;
    }
    //更替尾元素
    newNode.previous = last;
    last.next = newNode;
    last = newNode;
}

5、移除首元素

如果过已是最后一个元素，直接将首尾设置为null，其他情况进行轮替。

public Node removeFirst() {
    Node removeNode = first;
    //如果当前已是最后一个元素
    if (first.next == null) {
        first = null;
        last = null;
        return removeNode;
    }
    //首元素指向下一个元素
    first = first.next;
    //将新首元素指向的之前的元素设为null
    first.previous = null;

    return removeNode;
}

6、移除尾元素

和移除首元素类似

public Node removeLast() {
    Node removeNode = last;
    if (last.previous == null) {
        first = null;
        last = null;
        return null;
    }
    //尾元素指向旧尾元素之前的元素
    last = last.previous;
    //将新尾元素的下一个元素设为null
    last.next = null;
    return removeNode;
}

7、根据值移除节点

从第一个元素开始遍历，如果值不相同就一直遍历，没有元素匹配返回null，有元素相同时将之前的元素指向当前元素的下一个，将当前元素下一个指向前一个。

public Node remove(Object value) {
    if (isEmpty()){
        return null;
    }
    Node current = first;
    while (current.data != value) {
        if (current.next == null) {
            return null;
        }
        current = current.next;
    }
    current.previous.next = current.next;
    current.next.previous = current.previous;
    return current;
}

8、完整代码

package com.jikedaquan.datastruct;

public class TwoWayLinkList {
    private Node first;
    private Node last;

    public void addFirst(Object value) {
        Node newNode = new Node(value);
        if (isEmpty()) {
            last = newNode;
            first = newNode;
            return;
        }
        //新首元素指向旧首元素
        newNode.next = first;
        //旧首元素的前一个指向新首元素
        first.previous = newNode;
        //更替首元素
        first = newNode;
    }

    public void addLast(Object value) {
        Node newNode = new Node(value);
        if (isEmpty()) {
            first = newNode;
            last = newNode;
            return;
        }
        //更替尾元素
        newNode.previous = last;
        last.next = newNode;
        last = newNode;
    }

    public Node removeFirst() {
        Node removeNode = first;
        //如果当前已是最后一个元素
        if (first.next == null) {
            first = null;
            last = null;
            return removeNode;
        }
        //首元素指向下一个元素
        first = first.next;
        //将新首元素指向的之前的元素设为null
        first.previous = null;

        return removeNode;
    }

    public Node removeLast() {
        Node removeNode = last;
        if (last.previous == null) {
            first = null;
            last = null;
            return null;
        }
        //尾元素指向旧尾元素之前的元素
        last = last.previous;
        //将新尾元素的下一个元素设为null
        last.next = null;
        return removeNode;
    }

    public Node remove(Object value) {
        if (isEmpty()){
            return null;
        }
        Node current = first;
        while (current.data != value) {
            if (current.next == null) {
                return null;
            }
            current = current.next;
        }
        current.previous.next = current.next;
        current.next.previous = current.previous;
        return current;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return first == null;
    }

    public void display() {
        Node current = first;//先从首节点开始
        while (current != null) {
            current.display();//节点不为空，则打印该节点信息
            current = current.next;//获取当前节点的下个节点重新放入current中
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        TwoWayLinkList linkList = new TwoWayLinkList();
        linkList.addFirst("b");
        linkList.addFirst("a");
        linkList.display();
        System.out.println("======");
        while (!linkList.isEmpty()) {
            linkList.removeFirst();
            linkList.display();
        }
        System.out.println("======");
        linkList.addLast("c");
        linkList.addLast("d");
        linkList.display();
        System.out.println("======");
        while (!linkList.isEmpty()) {
            linkList.removeLast();
            linkList.display();
        }
        System.out.println("======");
        linkList.addFirst("e");
        linkList.addLast("f");
        linkList.addLast("g");
        linkList.display();
        System.out.println("======");
        linkList.remove("f");
        System.out.println("======");
        linkList.display();

    }

    public class Node {
        public Object data;//存放的数据

        public Node previous;//指向前一个节点
        public Node next;//指向下一个节点

        public Node(Object value) {
            this.data = value;
        }

        //展示节点数据
        public void display() {
            System.out.print(data + " ");

        }
    }
}

9、总结

链表是节点中通过变量指向前一个节点和下一个节点实现了相连，链表在移除节点、首尾添加节点有着优越的性能，时间复杂度O(1)。数组在做同等操作需要O(n)，但在访问元素上优于链表，空间复杂度也小于链表，应在不同的场景选用不同的结构。
当然这些数据结构也不需要我们去实现的，java语言中已经有对应的实现。