如何学习并掌握链表

本篇内容介绍了“如何学习并掌握链表”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

简介

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)。

链表是由数据域和指针域两部分组成的，它的组成结构如下：

复杂度分析

由于链表无需按顺序存储，因此链表在插入的时可以达到 O(1) 的复杂度，比顺序表快得多，但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要 O(n)  的时间，而顺序表插入和查询的时间复杂度分别是 O(log n) 和 O(1)。

优缺点分析

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。

分类

链表通常会分为以下三类：

• 单向链表

• 双向链表

• 循环链表

• 单循链表

• 双循环链表

1.单向链表

链表中最简单的一种是单向链表，或叫单链表，它包含两个域，一个数据域和一个指针域，指针域用于指向下一个节点，而最后一个节点则指向一个空值，如下图所示：

单链表的遍历方向单一，只能从链头一直遍历到链尾。它的缺点是当要查询某一个节点的前一个节点时，只能再次从头进行遍历查询，因此效率比较低，而双向链表的出现恰好解决了这个问题。

接下来，我们用代码来实现一下单向链表的节点：

private static class node<E> {     E item;     Node<E> next;      Node(E element, Node<E> next) {         this.item = element;         this.next = next;     } }

2.双向链表

双向链表也叫双面链表，它的每个节点由三部分组成：prev 指针指向前置节点，此节点的数据和 next 指针指向后置节点，如下图所示：

接下来，我们用代码来实现一下双向链表的节点：

private static class Node<E> {     E item;     Node<E> next;     Node<E> prev;      Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {         this.item = element;         this.next = next;         this.prev = prev;     } }

3.循环链表

循环链表又分为单循环链表和双循环链表，也就是将单向链表或双向链表的首尾节点进行连接，这样就实现了单循环链表或双循环链表了，如下图所示：

Java中的链表

学习了链表的基础知识之后，我们来思考一个问题：Java 中的链表 LinkedList  是属于哪种类型的链表呢?单向链表还是双向链表?

要回答这个问题，首先我们要来看 jdk 中的源码，如下所示：

package java.util;  import java.util.function.Consumer;  public class LinkedList<E>     extends AbstractSequentialList<E>     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {  // 链表大小     transient int size = 0;      // 链表头部     transient Node<E> first;      // 链表尾部     transient Node<E> last;      public LinkedList() {     }      public LinkedList(Collection<? extends E> c) {         this();         addAll(c);     }       // 获取头部元素     public E getFirst() {         final Node<E> f = first;         if (f == null)             throw new NoSuchElementException();         return f.item;     }      // 获取尾部元素     public E getLast() {         final Node<E> l = last;         if (l == null)             throw new NoSuchElementException();         return l.item;     }      // 删除头部元素     public E removeFirst() {         final Node<E> f = first;         if (f == null)             throw new NoSuchElementException();         return unlinkFirst(f);     }      // 删除尾部元素     public E removeLast() {         final Node<E> l = last;         if (l == null)             throw new NoSuchElementException();         return unlinkLast(l);     }      // 添加头部元素     public void addFirst(E e) {         linkFirst(e);     }          // 添加头部元素的具体执行方法     private void linkFirst(E e) {         final Node<E> f = first;         final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);         first = newNode;         if (f == null)             last = newNode;         else             f.prev = newNode;         size++;         modCount++;     }      // 添加尾部元素     public void addLast(E e) {         linkLast(e);     }          // 添加尾部元素的具体方法     void linkLast(E e) {         final Node<E> l = last;         final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);         last = newNode;         if (l == null)             first = newNode;         else             l.next = newNode;         size++;         modCount++;     }      // 查询链表个数     public int size() {         return size;     }      // 清空链表     public void clear() {         for (Node<E> x = first; x != null; ) {             Node<E> next = x.next;             x.item = null;             x.next = null;             x.prev = null;             x = next;         }         first = last = null;         size = 0;         modCount++;     }        // 根据下标获取元素     public E get(int index) {         checkElementIndex(index);         return node(index).item;     }      private static class Node<E> {         E item;         Node<E> next;         Node<E> prev;          Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {             this.item = element;             this.next = next;             this.prev = prev;         }     }     // 忽略其他方法...... }

从上述节点 Node 的定义可以看出：LinkedList 其实是一个双向链表，因为它定义了两个指针 next 和 prev  分别用来指向自己的下一个和上一个节点。

链表常用方法

LinkedList 的设计还是很巧妙的，了解了它的实现代码之后，下面我们来看看它是如何使用的?或者说它的常用方法有哪些。

1.增加

接下来我们来演示一下增加方法的使用：

public class LinkedListTest {     public static void main(String[] a) {         LinkedList list = new LinkedList();         list.add("Java");         list.add("中文");         list.add("社群");         list.addFirst("头部添加"); // 添加元素到头部         list.addLast("尾部添加");  // 添加元素到最后         System.out.println(list);     } }

以上代码的执行结果为：

• [头部添加, Java, 中文, 社群, 尾部添加]

出来以上的 3 个增加方法之外，LinkedList 还包含了其他的添加方法，如下所示：

• add(int index, E element)：向指定位置插入元素;

• offer(E e)：向链表末尾添加元素，返回是否成功;

• offerFirst(E e)：头部插入元素，返回是否成功;

• offerLast(E e)：尾部插入元素，返回是否成功。

add 和 offer 的区别

它们的区别主要体现在以下两点：

offer 方法属于 Deque接口，add 方法属于 Collection的接口;

当队列添加失败时，如果使用 add 方法会报错，而 offer 方法会返回 false。

2.删除

删除功能的演示代码如下：

import java.util.LinkedList;  public class LinkedListTest {     public static void main(String[] a) {         LinkedList list = new LinkedList();         list.offer("头部");         list.offer("中间");         list.offer("尾部");          list.removeFirst(); // 删除头部元素         list.removeLast();  // 删除尾部元素          System.out.println(list);     } }

以上代码的执行结果为：

[中间]

除了以上删除方法之外，更多的删除方法如下所示：

• clear()：清空链表;

• removeFirst()：删除并返回第一个元素;

• removeLast()：删除并返回最后一个元素;

• remove(Object o)：删除某一元素，返回是否成功;

• remove(int index)：删除指定位置的元素;

• poll()：删除并返回第一个元素;

• remove()：删除并返回第一个元素。

3.修改

修改方法的演示代码如下：

import java.util.LinkedList;  public class LinkedListTest {     public static void main(String[] a) {         LinkedList list = new LinkedList();         list.offer("Java");         list.offer("Mysql");         list.offer("DB");                  // 修改         list.set(2, "oracle");          System.out.println(list);     } }

以上代码的执行结果为：

[Java, mysql, Oracle]

4.查询查询方法的演示代码如下：

import java.util.LinkedList;  public class LinkedListTest {     public static void main(String[] a) {         LinkedList list = new LinkedList();         list.offer("Java");         list.offer("Mysql");         list.offer("DB");          // --- getXXX() 获取 ---         // 获取最后一个         System.out.println(list.getLast());         // 获取首个         System.out.println(list.getFirst());         // 根据下标获取         System.out.println(list.get(1));          // peekXXX() 获取         System.out.println("--- peek() ---");         // 获取最后一个         System.out.println(list.peekLast());         // 获取首个         System.out.println(list.peekFirst());         // 根据首个         System.out.println(list.peek());     } }

以上代码的执行结果为：

DB  Java  MySQL  --- peek() ---  DB  Java  Java

5.遍历

LinkedList 的遍历方法包含以下三种。

遍历方法一：

for (int size = linkedList.size(), i = 0; i < size; i++) {     System.out.println(linkedList.get(i)); }

遍历方法二：

for (String str: linkedList) {     System.out.println(str); }

遍历方法三：

Iterator iter = linkedList.iterator(); while (iter.hasNext()) {     System.out.println(iter.next()); }

链表应用：队列 & 栈

1.用链表实现栈

接下来我们用链表来实现一个先进先出的“队列”，实现代码如下：

LinkedList list = new LinkedList(); // 元素入列 list.add("Java"); list.add("中文"); list.add("社群");  while (!list.isEmpty()) {     // 打印并移除队头元素     System.out.println(list.poll()); }

以上程序的执行结果如下：

• Java

• 中文

• 社群

2.用链表实现队列

然后我们用链表来实现一个后进先出的“栈”，实现代码如下：

LinkedList list = new LinkedList(); // 元素入栈 list.add("Java"); list.add("中文"); list.add("社群");  while (!list.isEmpty()) {     // 打印并移除栈顶元素     System.out.println(list.pollLast()); }

以上程序的执行结果如下：

• 社群

• 中文

• Java

链表使用场景

链表作为一种基本的物理结构，常被用来构建许多其它的逻辑结构，如堆栈、队列都可以基于链表实现。

所谓的物理结构是指可以将数据存储在物理空间中，比如数组和链表都属于物理数据结构;而逻辑结构则是用于描述数据间的逻辑关系的，它可以由多种不同的物理结构来实现，比如队列和栈都属于逻辑结构。

链表常见笔试题

链表最常见的笔试题就是链表的反转了，之前的文章《链表反转的两种实现方法，后一种击败了100%的用户!》我们提供了 2  种链表反转的方法，而本文我们再来扩充一下，提供 3 种链表反转的方法。

实现方法 1：Stack我们先用图解的方式来演示一下，使用栈实现链表反转的具体过程，如下图所示。

全部入栈：

全部入栈：

因为栈是先进后出的数据结构，因此它的执行过程如下图所示：

最终的执行结果如下图所示：

实现代码如下所示：

public ListNode reverseList(ListNode head) {     if (head == null) return null;     Stack<ListNode> stack = new Stack<>();     stack.push(head); // 存入第一个节点     while (head.next != null) {         stack.push(head.next); // 存入其他节点         head = head.next; // 指针移动的下一位     }     // 反转链表     ListNode listNode = stack.pop(); // 反转第一个元素     ListNode lastNode = listNode; // 临时节点，在下面的 while 中记录上一个节点     while (!stack.isEmpty()) {         ListNode item = stack.pop(); // 当前节点         lastNode.next = item;         lastNode = item;     }     lastNode.next = null; // 最后一个节点赋为null（不然会造成死循环）     return listNode; }

LeetCode 验证结果如下图所示：

可以看出使用栈的方式来实现链表的反转执行的效率比较低。

实现方法2：递归

同样的，我们先用图解的方式来演示一下，此方法实现的具体过程，如下图所示。

实现代码如下所示：

public static ListNode reverseList(ListNode head) {     if (head == null || head.next == null) return head;     // 从下一个节点开始递归     ListNode reverse = reverseList(head.next);     head.next.next = head; // 设置下一个节点的 next 为当前节点     head.next = null; // 把当前节点的 next 赋值为 null，避免循环引用     return reverse; }

LeetCode 验证结果如下图所示：

可以看出这种实现方法在执行效率方面已经满足我们的需求了，性能还是很高的。

实现方法 3：循环

我们也可以通过循环的方式来实现链表反转，只是这种方法无需重复调用自身方法，只需要一个循环就搞定了，实现代码如下：

class Solution {     public ListNode reverseList(ListNode head) {         if (head == null) return null;         // 最终排序的倒序链表         ListNode prev = null;         while (head != null) {             // 循环的下个节点             ListNode next = head.next;             // 反转节点操作             head.next = prev;             // 存储下个节点的上个节点             prev = head;             // 移动指针到下一个循环             head = next;         }         return prev;     } }

LeetCode 验证结果如下图所示：

从上述图片可以看出，使用此方法在时间复杂度和空间复杂度上都是目前的最优解，比之前的两种方法更加理想。

“如何学习并掌握链表”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！