数据结构03——链表

 

一.开头语

对于链表是我们一个非常熟悉的数据结构，它的定义：链表是一种递归的数据结构，它或者为空（null），或者指向一个节点（node）的引用，该节点含有一个泛型的元素和一个指向另一条链表的引用。当然这只是一种比较教科书式的定义。对于链表的数据是存储在“节点”中的，它的优点是真正的动态，不需要处理固定容量的问题，但它的缺点是丧失了随机访问的功能。因此它与数组相比，其优缺点就非常明显了。在本篇文章，我们将手写实现一个链表的功能，且最后我们还将会用链表来实现栈和队列的功能，大家应该非常期待吧！那我们就开始吧！

 

二.手写一个链表的功能

 

package com.zfy.linkedlist;

public class LinkedList<E> {
    
    //节点内部类
    private class Node {
        public E e;//存放元素
        public Node next;//存放指向next的node
        
        public Node(E e, Node next) {
            this.e = e;
            this.next = next;
        }
        
        public Node(E e) {
            this(e, null);
        }
        
        public Node() {
            this(null, null);
        }
        
        @Override
        public String toString() {
            return e.toString();
        }
    }
    
    private Node dummyHead;//表头，设置一个虚拟头结点，只是为了编写程序方便而设置的，对用户是没有意义的，对用户也是屏蔽的
    private int size;
    
    public LinkedList() {
        dummyHead = new Node(null, null);
        size = 0;
    }
    
    //获取链表中的元素个数
    public int getSize() {
        return size;
    }
    
    //返回链表是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return getSize() == 0;
    }
    
    // 在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
        // 在链表中这不是不是一个常用的操作，仅练习用
    public void add(int index, E e){
        if(index < 0 || index > size)
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index.");
        
        Node prev = dummyHead;
        //遍历到待插入节点的前一个位置(因为这里设置的dummyHead是为null的，而dummyHead是这个位置的元素的前一个节点，所以我们此时遍历到index的位置)
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            prev = prev.next;
//            Node node = new Node(e);
//            node.next = prev.next;//将prev.next赋给待插入节点的next,是为了指向下一个元素
//            prev.next = node;//将新的节点node指向prev.next 
        //上面代码更优雅的一个写法
        prev.next = new Node(e, prev.next);
        size ++;
    }
    
    //在链表头添加新的元素e
    public void addFirst(E e) {
        add(0, e);
    }
    
    
    // 在链表末尾添加新的元素e
    public void addLast(E e){
        add(size, e);
    }
    
    // 获得链表的第index(0-based)个位置的元素
    // 在链表中不是一个常用的操作，仅练习用
    public E get(int index) {
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index.");
        
        Node cur = dummyHead.next;//当前元素从dummyHead.next开始，也就是从链表的第一个位置开始
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            cur = cur.next;
        return cur.e;
    }
    
    //获得链表的第一个元素
    public E getFirst(){
        return get(0);
    }

    //获得链表的最后一个元素
    public E getLast(){
        return get(size - 1);
    }

    //修改链表的第index(0-based)个位置的元素为e
    //在链表中不是一个常用的操作，仅练习用
    public void set(int index, E e){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index.");
        Node cur = dummyHead.next;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            cur = cur.next;
        cur.e = e;
    }
    
    //查找链表中是否有元素e
    public boolean contains(E e){
        
        Node cur = dummyHead.next;
        while (cur != null) {
            if (cur.e.equals(e)) 
                return true;
            cur = cur.next;//如果cur.e.equals(e)    ，就返回true，否则看下一个节点
        }
        return false;
    }

    // 从链表中删除index(0-based)位置的元素, 返回删除的元素
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public E remove(int index){
        
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");

        Node prev = dummyHead;
        for (int i = 0; i < index; i++) 
            prev = prev.next;//删除index节点的元素就是先找到待删除节点的前一个位置然后做相应的 删除操作
        
        Node retNode = prev.next;//找到当前待删除的节点
        prev.next = retNode.next;//把当前待删除节点的next赋给prev.next
        retNode.next = null;//最后把retNode.next置为null
        size --;
        return retNode.e;
    }
    
    //从链表中删除第一个元素, 返回删除的元素
    public E removeFirst(){
        return remove(0);
    }

    //从链表中删除最后一个元素, 返回删除的元素
    public E removeLast(){
        return remove(size - 1);
    }
    
    //从链表中删除元素e
    public void removeElement(E e){

        Node prev = dummyHead;
        while(prev.next != null){
            if(prev.next.e.equals(e))
                break;
            prev = prev.next;
        }

        if(prev.next != null){
            Node delNode = prev.next;
            prev.next = delNode.next;
            delNode.next = null;
            size --;
        }
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        
        StringBuilder res = new StringBuilder();
//        Node cur = dummyHead.next;
//        while (cur != null) {
//            res.append(cur + "->");
//            cur = cur.next;
//        }
        for(Node cur = dummyHead.next ; cur != null ; cur = cur.next)
            res.append(cur + "->");
        res.append("NULL");
        
        return res.toString();
    }
}

 

 

 在链表表头插入和删除速度很快，其时间复杂度O(1)。如果均摊的话，查找、删除和在指定节点后面插入都需要进行遍历，其时间复杂度为O(N)。但是在数组中执行这些样的操作也需要O(N)的（数组查询除外），但是对于链表如果只在表头进行增删，那么其复杂度也只是为O(1)，而链表的修改功能意义本来就不大，如果查也只是查表头，其复杂度也只是为O(1)。但是由于链表是动态的，因此是不会浪费大量的空间的，所以具有一定的优势。其实链表本身是一种最基础的动态数据结构，对这种动态数据结构有深刻的理解和掌握后，对后面的二叉树、平衡二叉树、AVL或者红黑树等等，都是有巨大的帮助的。

 

三.使用链表实现栈

因为这里我们的功能是基于上一篇文章的代码的，因此这里我们就不贴代码了。

package com.zfy.linkedlist;

public class LinkedListStack<E> implements Stack<E> {
    
    private LinkedList<E> list;
    
    public LinkedListStack() {
        list = new LinkedList<>();
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return list.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return list.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E e){
        list.addFirst(e);
    }

    @Override
    public E pop(){
        return list.removeFirst();
    }

    @Override
    public E peek(){
        return list.getFirst();
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Stack: top ");
        res.append(list);
        return res.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {

        LinkedListStack<Integer> stack = new LinkedListStack<>();

        for(int i = 0 ; i < 5 ; i ++){
            stack.push(i);
            System.out.println(stack);
        }

        stack.pop();
        System.out.println(stack);
    }
}

 

 

四.使用链表实现队列:带有尾指针的链表

 

这里我们的功能是基于上一篇文章的代码的，因此这里我们就不贴代码了。

 

package com.zfy.linkedlist;

public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {
    
    private class Node{
        public E e;
        public Node next;

        public Node(E e, Node next){
            this.e = e;
            this.next = next;
        }

        public Node(E e){
            this(e, null);
        }

        public Node(){
            this(null, null);
        }

        @Override
        public String toString(){
            return e.toString();
        }
    }
    
    private Node head, tail;
    private int size;
    
    public LinkedListQueue(){
        head = null;
        tail = null;
        size = 0;
    }
    
    @Override
    public int getSize(){
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }
    
    @Override
    public void enqueue(E e){
        
        if (tail == null) {
            tail = new Node(e);
            head = tail;
        }else {
            tail.next = new Node(e);
            tail = tail.next;
        }
        size ++;
    }
    
    @Override
    public E dequeue(){
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
        
        Node retNode = head;
        head = head.next;
        retNode.next = null;
        
        if(head == null)
            tail = null;
        size --;
        return retNode.e;
    } 
    
    @Override
    public E getFront(){
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
        return head.e;
    }
    
    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Queue: front ");

        Node cur = head;
        while(cur != null) {
            res.append(cur + "->");
            cur = cur.next;
        }
        res.append("NULL tail");
        return res.toString();
    }

    public static void main(String[] args){

        LinkedListQueue<Integer> queue = new LinkedListQueue<>();
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++){
            queue.enqueue(i);
            System.out.println(queue);

            if(i % 3 == 2){
                queue.dequeue();
                System.out.println(queue);
            }
        }
    }

}

 

 

最后语：不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。其实以上的功能还有很多其他的实现方式，有时间笔者还将继续探索！在这里还要感谢一些前辈给我的动力，虽然我们素未谋面，但是他们的学识让我深感佩服，也让我有了更多的学习动力。

参考：bobobo老师的玩转数据结构和算法（第四版）

 

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