数据结构-链表

链表

现虽然顺序表的查询很快，时间复杂度为 O(1) , 但是增删的效率是比较低的，因为每一次增删操作都伴随着大量的数据元素移动。

所以可以使用另外一种存储结构实现线性表，链式存储结构。

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，其物理结构不能只管的表示数据元素的逻辑顺序，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表由一系列的结点（链表中的每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时动态生成。

1.单向链表

单向链表是链表的一种，它由多个结点组成，每个结点都由一个数据域和一个指针域组成，数据域用来存储数据，指针域用来指向其后继结点。

链表的头结点的数据域不存储数据，指针域指向第一个真正存储数据的结点。

1.1 单链表实现

public class LinkList<T> implements Iterable<T> {
    //记录头节点
    private Node head;
    //记录元素个数
    private int n;
    public class Node {
        //存储元素
        public T item;
        //指向下一个结点
        public Node next;

        public Node(T item, Node next) {
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }
    //构造函数
    public LinkList() {
        //初始化头节点
        this.head = new Node(null, null);
        //初始化个数
        this.n = 0;
    }
    //清空链表
    public void clear() {
        this.head = null;
        this.n = 0;
    }
    //获取链表的长度
    public int length() {
        return n;
    }
    //判断链表是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return n == 0;
    }
    //获取指定位置i出的元素
    public T get(int i) {
        Node m = head.next;
        //通过头结点，循环往后找到第i个元素
        for (int j = 0; j < i; j++) {
            m = m.next;
        }
        return m.item;
    }
    //向链表中添加元素t
    public void insert(T t) {
        //找到当前最后一个结点
        Node m = head;
        while (m.next != null) {
            m = m.next;
        }
        //创建新节点，值为t
        Node tNode = new Node(t, null);
        //最后一个元素指向新节点
        m.next = tNode;
        //元素个数+1
        n++;
    }
    //向指定位置i出，添加元素t
    public void insert(int i, T t) {
        //找出i之前的结点
        Node pre = this.head;
        for (int j = 0; j < i; j++) {
            pre = pre.next;
        }
        //指向i结点
        Node curr = pre.next;
        //创建结点，值为t，指向curr
        Node node = new Node(t, curr);
        //i之前的结点pre，指向node
        pre.next = node;
        //元素数+1
        n++;
    }
    //删除指定位置i处的元素，并返回被删除的元素
    public T remove(int i) {
        //找到i位置的前一个节点
        Node pre = head;
        for (int index = 0; index <= i - 1; i++) {
            pre = pre.next;
        }
        //要找到i位置的结点
        Node curr = pre.next;
        //找到i位置的下一个结点
        Node nNode = curr.next;
        //前一个结点指向下一个结点
        pre.next = nNode;
        //元素个数-1
        n--;
        return curr.item;
    }
    //查找元素t在链表中第一次出现的位置
    public int indexOf(T t) {
        //从头结点开始，依次找到每一个结点，取出item，和t比较，如果相同，就找到了
        Node n = head;
        for (int i = 0; n.next != null; i++) {
            n = n.next;
            if (n.item.equals(t)) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }
    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return new Literator();
    }
    public class Literator implements Iterator{

        private Node n;
        public Literator(){
            this.n=head;
        }
        @Override
        public boolean hasNext() {
            return n.next!=null;
        }
        @Override
        public Object next() {
            n = n.next;
            return n.item;
        }
    }
}

1.2 单链表测试

public static void main(String[] args) {
    //创建单向链表对象
    LinkList<String> sl = new LinkList<>();
    //测试插入
    sl.insert("T1");
    sl.insert("T2");
    sl.insert("T3");
    sl.insert(1, "T4");
    for (String s : sl) {
        System.out.println(s);
    }
    System.out.println("------------------------------------------");
    //测试获取
    String getResult = sl.get(1);
    System.out.println("获取索引1处的结果为：" + getResult);
    //测试删除
    String removeResult = sl.remove(0);
    System.out.println("删除的元素是：" + removeResult);
    //测试清空
    sl.clear();
    System.out.println("清空后的线性表中的元素个数为:" + sl.length());
}

2.双向链表

双向链表也叫双向表，是链表的一种，它由多个结点组成，每个结点都由一个数据域和两个指针域组成，数据域用来存储数据，其中一个指针域用来指向其后继结点，另一个指针域用来指向前驱结点。

链表的头结点的数据域不存储数据，指向前驱结点的指针域值为null，指向后继结点的指针域指向第一个真正存储数据的结点。

2.1 双向链表实现

public class TowWayLinkList<T> implements Iterable<T> {
    //首结点
    private Node head;
    //尾结点
    private Node last;
    //元素总个数
    private int n;
    private class Node {
        //存储数据
        public T item;
        //指向上一个结点
        public Node pre;
        //指向下一个结点
        public Node next;
        public Node(T item, Node pre, Node next) {
            this.item = item;
            this.pre = pre;
            this.next = next;
        }
    }
    //初始化
    public TowWayLinkList() {
        //初始化首结点
        this.head = new Node(null, null, null);
        //初始化尾结点
        this.last = null;
        //初始化元素个数
        this.n = 0;
    }
    //清空链表
    public void clear() {
        this.head.next = null;
        this.head.pre = null;
        this.head.item = null;
        this.last = null;
        this.n = 0;
    }
    //获取链表长度
    public int length() {
        return n;
    }
    //判断链表是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return n == 0;
    }
    //获取第一个元素
    public T getFirst() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return head.next.item;
    }
    //获取最后一个元素
    public T getLast() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return last.item;
    }
    //插入元素t
    public void insert(T t) {
        //链表为空
        if (isEmpty()) {
            //创建新结点
            Node nNode = new Node(t, head, null);
            //让新结点成为尾结点
            last = nNode;
            //让头结点指向尾结点
            head.next = last;
        } else {
            //链表不为空
            Node oldLast = last;
            //创建新结点
            Node nNode = new Node(t, oldLast, null);
            //让当前尾结点指向新结点
            oldLast.next = nNode;
            //让新结点成为尾结点
            last = nNode;
        }
        //元素个数+1
        n++;
    }
    //向指定位置i处插入元素t
    public void insert(int i, T t) {
        //找到i位置的前一个结点
        Node pre = head;
        for (int index = 0; index < i; index++) {
            pre = pre.next;
        }
        //找到i位置的结点
        Node curr = pre.next;
        //创建新结点
        Node nNode = new Node(t, pre, curr);
        //让i位置的前一个结点的下一个结点指向新结点
        pre.next = nNode;
        //让i位置的前一个结点变为新结点
        curr.pre = nNode;
        //元素个数+1
        n++;
    }
    //获取指定位置i处的元素
    public T get(int i) {
        Node n = head.next;
        for (int index = 0; index < i; index++) {
            n = n.next;
        }
        return n.item;
    }
    //找到元素t在链表中第一次出现的位置
    public int indexOf(T t) {
        Node n = head;
        for (int i = 0; n.next != null; i++) {
            n = n.next;
            if (n.item.equals(t)) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }
    //删除位置i处的元素，并返回该元素
    public T remove(int i) {
        //找到i位置的前一个结点
        Node pre = head;
        for (int index = 0; index<i; index++) {
            pre = pre.next;
        }
        //找到i位置的结点
        Node curr = pre.next;
        //找到i位置的下一个结点
        Node nNode = curr.next;
        //i位置的前一个结点 的下一个结点 指向 i位置的下一个结点 的 前一个结点
        pre.next = nNode;
        //i位置的下一个结点 的前一个结点 指向 i位置的上一个结点 的 下一个结点
        nNode.pre = pre;
        //元素个数-1
        n--;
        return curr.item;
    }
    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return new tIterator();
    }
    public class tIterator implements Iterator {
        private Node node;
        public tIterator() {
            this.node = head;
        }
        @Override
        public boolean hasNext() {
            return node.next != null;
        }
        @Override
        public Object next() {
            node=node.next;
            return node.item;
        }
    }
}

2.2 双向链表测试

public static void main(String[] args) {
    //创建双向链表对象
    TowWayLinkList<String> sl = new TowWayLinkList<>();
    //测试插入
    sl.insert("T1");
    sl.insert("T2");
    sl.insert("T3");
    sl.insert(1, "T4");
    for (String s : sl) {
        System.out.println(s);
    }
    System.out.println("--------------------------------------");
    
    System.out.println("第一个元素是：" + sl.getFirst());
    System.out.println("最后一个元素是：" + sl.getLast());
    
    System.out.println("------------------------------------------");
    //测试获取
    String getResult = sl.get(1);
    System.out.println("获取索引1处的结果为：" + getResult);
    //测试删除
    String removeResult = sl.remove(0);
    System.out.println("删除的元素是：" + removeResult);
    //测试清空
    sl.clear();
    System.out.println("清空后的线性表中的元素个数为:" + sl.length());
}

3.循环链表

循环链表，链表整体要形成一个圆环状。在单向链表中，最后一个节点的指针为null，不指向任何结点，因为没有下一个元素了。

实现循环链表，只需要让单向链表的最后一个节点的指针指向头结点即可。

简单构建

public class CircularLinkedList {
    public static class Node<T> {
        T item;
        Node<T> next;
        public Node(T item, Node next) {
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //构建结点
        Node<Integer> first = new Node<Integer>(1, null);
        Node<Integer> second = new Node<Integer>(2, null);
        Node<Integer> third = new Node<Integer>(3, null);
        Node<Integer> fourth = new Node<Integer>(4, null);
        Node<Integer> fifth = new Node<Integer>(5, null);
        Node<Integer> six = new Node<Integer>(6, null);
        Node<Integer> seven = new Node<Integer>(7, null);
        //构建单链表
        first.next = second;
        second.next = third;
        third.next = fourth;
        fourth.next = fifth;
        fifth.next = six;
        six.next = seven;
        //构建循环链表,让最后一个结点指向第一个结点
        seven.next = first;
    }
}

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