Java数据结构之链表详解

一、链表的介绍

什么是链表

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，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。链表由一系列结点（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。 相比于线性表顺序结构，操作复杂。由于不必须按顺序存储，链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度，比另一种线性表顺序表快得多，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，而线性表和顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。

链表和数组的比较

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。链表最明显的好处就是，常规数组排列关联项目的方式可能不同于这些数据项目在记忆体或磁盘上顺序，数据的存取往往要在不同的排列顺序中转换。链表允许插入和移除表上任意位置上的节点，但是不允许随机存取。

一句话就是链表因为内存是动态分配的所以添加和删除快，但是查询速度慢
数组因为有索引所以查找快，但是添加和删除慢，因为每次都要创建新的数组

二、单链表的实现

单链表在内存中的情况：

单链表的示意图：
每个节点包含data域和next域指向下一个节点

水浒里面的英雄好汉想必大家都听过，下面用一个带head节点的链表来实现对水浒英雄排名的增删改查操作来了解单链表的操作。

//英雄节点
public class HeroNode {
   public int no;//编号
   public String name;//名字
   public String nickname;//绰号
   HeroNode next;//下一个节点

public HeroNode(int no, String name, String nickname) {
       this.no = no;
       this.name = name;
       this.nickname = nickname;
   }

public int getNo() {
       return no;
   }

public void setNo(int no) {
       this.no = no;
   }

public String getName() {
       return name;
   }

public void setName(String name) {
       this.name = name;
   }

public String getNickname() {
       return nickname;
   }

public void setNickname(String nickname) {
       this.nickname = nickname;
   }

@Override
   public String toString() {
       return "HeroNode{" +
               "no=" + no +
               ", name='" + name + '\'' +
               ", nickname='" + nickname + '\'' +
               '}';
   }
}

//定义SingleLinkedList 管理好汉节点
class SingleLinkedList {
//先初始化一个头节点, 头节点不动, 不存放具体的数据
private HeroNode head = new HeroNode(0, "", "");

//返回头节点
public HeroNode getHead() {
return head;
}
}

添加节点

不考虑好汉编号顺序
思路分析

1.找到当前链表的最后节点

2.将最后这个节点的next 指向 新的节点

public void add(HeroNode heroNode) {

//因为head节点不能动，因此我们需要一个辅助节点遍历链表
HeroNode temp = head;
//遍历链表，找到最后
while(true) {
//找到链表的最后
if(temp.next == null) {
break;
}
//如果没有找到最后, 将将temp后移
temp = temp.next;
}
//当退出while循环时，temp就指向了链表的最后
//将最后这个节点的next 指向 新的节点
temp.next = heroNode;
}

第二种方式考虑好汉编号顺序，根据排名将好汉插入到指定位置(如果没有这个排名，则添加失败，并给出提示)

public void addByOrder(HeroNode heroNode) {
//因为头节点不能动，因此我们仍然通过一个辅助指针(变量)来帮助找到添加的位置
HeroNode temp = head;
boolean flag = false; // flag标志添加的编号是否存在，默认为false
while(true) {
if(temp.next == null) {//说明temp已经在链表的最后
break;
}
if(temp.next.no > heroNode.no) { //位置找到，就在temp的后面插入
break;
} else if (temp.next.no == heroNode.no) {//说明希望添加的heroNode的编号已然存在

flag = true; //说明编号存在
break;
}
temp = temp.next; //后移，遍历当前链表
}
//判断flag 的值
if(flag) { //不能添加，说明编号存在
System.out.printf("准备插入的英雄的编号 ％d 已经存在了, 不能加入\n", heroNode.no);
} else {
//插入到链表中, temp的后面
heroNode.next = temp.next;
temp.next = heroNode;
}
}

修改节点

根据 newHeroNode 的 no 来修改

public void update(HeroNode newHeroNode) {
//判断是否空
if(head.next == null) {
System.out.println("链表为空~");
return;
}
//找到需要修改的节点, 根据no编号
//定义一个辅助变量
HeroNode temp = head.next;
boolean flag = false; //表示是否找到该节点
while(true) {
if (temp == null) {
break; //已经遍历完链表
}
if(temp.no == newHeroNode.no) {
//找到
flag = true;
break;
}
temp = temp.next;
}
//根据flag 判断是否找到要修改的节点
if(flag) {
temp.name = newHeroNode.name;
temp.nickname = newHeroNode.nickname;
} else { //没有找到
System.out.printf("没有找到 编号 ％d 的节点，不能修改\n", newHeroNode.no);
}
}

删除节点

根据 要删除的 no 来删除

public void delete(int no) {
HeroNode temp = head;
boolean flag = false; // 标志是否找到待删除节点的
while(true) {
if(temp.next == null) { //已经到链表的最后
break;
}
if(temp.next.no == no) {
//找到的待删除节点的前一个节点temp
flag = true;
break;
}
temp = temp.next; //temp后移，遍历
}
//判断flag
if(flag) { //找到
//可以删除
temp.next = temp.next.next;
}else {
System.out.printf("要删除的 ％d 节点不存在\n", no);
}
}

查找节点

根据 输入的 no 来查找

public void search(int no) {
HeroNode temp = head;
boolean flag = false; // 标志是否找到节点
while(true) {
if(temp.next == null) { //已经到链表的最后
break;
}
if(temp.no == no) {
//找到了该节点
flag = true;
break;
}
temp = temp.next; //temp后移，遍历
}
//判断flag
if(flag) {
//找到了该节点
System.out.printf("要查找的 ％d 节点是\n", temp);
}else {
System.out.printf("要查找的 ％d 节点不存在\n", no);
}
}

遍历链表

public void list() {
//判断链表是否为空
if(head.next == null) {
System.out.println("链表为空");
return;
}
//因为头节点，不能动，因此我们需要一个辅助变量来遍历
HeroNode temp = head.next;
while(true) {
//判断是否到链表最后
if(temp == null) {
break;
}
//输出节点的信息
System.out.println(temp);
//将temp后移， 一定小心
temp = temp.next;
}
}
}

测试：

public static void main(String[] args) {
//先创建节点
HeroNode hero1 = new HeroNode(1, "宋江", "及时雨");
HeroNode hero2 = new HeroNode(2, "卢俊义", "玉麒麟");
HeroNode hero3 = new HeroNode(3, "吴用", "智多星");
HeroNode hero4 = new HeroNode(4, "林冲", "豹子头");
SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();
singleLinkedList.add(hero1);
singleLinkedList.add(hero4);
singleLinkedList.add(hero2);
singleLinkedList.add(hero3);
singleLinkedList.list();
System.out.println("删除一个节点");
singleLinkedList.del(3);
singleLinkedList.update(new HeroNode(1,"宋江","义薄云天"));
singleLinkedList.list();

HeroNode [no=1, name=宋江, nickname=及时雨]
HeroNode [no=4, name=林冲, nickname=豹子头]
HeroNode [no=2, name=卢俊义, nickname=玉麒麟]
HeroNode [no=3, name=吴用, nickname=智多星]
删除一个节点
HeroNode [no=1, name=宋江, nickname=义薄云天]
HeroNode [no=4, name=林冲, nickname=豹子头]
HeroNode [no=2, name=卢俊义, nickname=玉麒麟]

三、双向链表的实现

 双向链表的介绍

双向链表也叫双链表，是链表的一种，它的每个数据结点中都有两个指针，分别指向直接后继和直接前驱。所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。如下图所示：

双向链表的分析

单向链表查找的方向只有一个，而双向链表可以向前或向后查找，实现双向查找。
单向链表不能自我删除，而双向链表可以自我删除。
我们依旧通过水浒英雄的例子来实现双向链表的增删改查操作。

// 定义HeroNode2 ， 每个HeroNode 对象就是一个节点
class HeroNode2 {
public int no;
public String name;
public String nickname;
public HeroNode2 next; // 指向下一个节点, 默认为null
public HeroNode2 pre; // 指向前一个节点, 默认为null

public HeroNode2(int no, String name, String nickname) {
this.no = no;
this.name = name;
this.nickname = nickname;
}

@Override
public String toString() {
return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + ", nickname=" + nickname + "]";
}

}

// 创建一个双向链表的类
class DoubleLinkedList {

// 先初始化一个头节点, 头节点不动, 不存放具体的数据
private HeroNode2 head = new HeroNode2(0, "", "");

// 返回头节点
public HeroNode2 getHead() {
return head;
}
}

遍历链表

// 创建一个双向链表的类
class DoubleLinkedList {

// 先初始化一个头节点, 头节点不动, 不存放具体的数据
private HeroNode2 head = new HeroNode2(0, "", "");

// 返回头节点
public HeroNode2 getHead() {
return head;
}
}

添加节点

public void add(HeroNode2 heroNode) {

// 因为head节点不能动，因此我们需要一个辅助遍历 temp
HeroNode2 temp = head;
// 遍历链表，找到最后
while (true) {
// 找到链表的最后
if (temp.next == null) {//
break;
}
// 如果没有找到最后, 将将temp后移
temp = temp.next;
}
// 当退出while循环时，temp就指向了链表的最后
// 形成一个双向链表
temp.next = heroNode;
heroNode.pre = temp;
}

修改节点

public void update(HeroNode2 newHeroNode) {
// 判断是否空
if (head.next == null) {
System.out.println("链表为空~");
return;
}
// 找到需要修改的节点, 根据no编号
// 定义一个辅助变量
HeroNode2 temp = head.next;
boolean flag = false; // 表示是否找到该节点
while (true) {
if (temp == null) {
break; // 已经遍历完链表
}
if (temp.no == newHeroNode.no) {
// 找到
flag = true;
break;
}
temp = temp.next;
}
// 根据flag 判断是否找到要修改的节点
if (flag) {
temp.name = newHeroNode.name;
temp.nickname = newHeroNode.nickname;
} else { // 没有找到
System.out.printf("没有找到 编号 ％d 的节点，不能修改\n", newHeroNode.no);
}
}

删除节点

// 1 对于双向链表，我们可以直接找到要删除的这个节点
// 2 找到后，自我删除即可
public void del(int no) {

// 判断当前链表是否为空
if (head.next == null) {// 空链表
System.out.println("链表为空，无法删除");
return;
}

HeroNode2 temp = head.next; // 辅助变量(指针)
boolean flag = false; // 标志是否找到待删除节点的
while (true) {
if (temp == null) { // 已经到链表的最后
break;
}
if (temp.no == no) {
// 找到的待删除节点的前一个节点temp
flag = true;
break;
}
temp = temp.next; // temp后移，遍历
}
// 判断flag
if (flag) { // 找到
// 可以删除
// temp.next = temp.next.next;[单向链表]
temp.pre.next = temp.next;
// 这里我们的代码有问题?
// 如果是最后一个节点，就不需要执行下面这句话，否则出现空指针
if (temp.next != null) {
temp.next.pre = temp.pre;
}
} else {
System.out.printf("要删除的 ％d 节点不存在\n", no);
}
}

测试

public static void main(String[] args) {
       // 测试
       System.out.println("双向链表的测试");
       // 先创建节点
       HeroNode2 hero1 = new HeroNode2(1, "宋江", "及时雨");
       HeroNode2 hero2 = new HeroNode2(2, "卢俊义", "玉麒麟");
       HeroNode2 hero3 = new HeroNode2(3, "吴用", "智多星");
       HeroNode2 hero4 = new HeroNode2(4, "林冲", "豹子头");
       // 创建一个双向链表
       DoubleLinkedList doubleLinkedList = new DoubleLinkedList();
       doubleLinkedList.add(hero1);
       doubleLinkedList.add(hero2);
       doubleLinkedList.add(hero3);
       doubleLinkedList.add(hero4);

doubleLinkedList.list();

// 修改
       HeroNode2 newHeroNode = new HeroNode2(4, "公孙胜", "入云龙");
       doubleLinkedList.update(newHeroNode);
       System.out.println("修改后的链表情况");
       doubleLinkedList.list();

// 删除
       doubleLinkedList.del(3);
       System.out.println("删除后的链表情况~~");
       doubleLinkedList.list();
}

双向链表的测试
HeroNode [no=1, name=宋江, nickname=及时雨]
HeroNode [no=2, name=卢俊义, nickname=玉麒麟]
HeroNode [no=3, name=吴用, nickname=智多星]
HeroNode [no=4, name=林冲, nickname=豹子头]
修改后的链表情况
HeroNode [no=1, name=宋江, nickname=及时雨]
HeroNode [no=2, name=卢俊义, nickname=玉麒麟]
HeroNode [no=3, name=吴用, nickname=智多星]
HeroNode [no=4, name=公孙胜, nickname=入云龙]
删除后的链表情况~~
HeroNode [no=1, name=宋江, nickname=及时雨]
HeroNode [no=2, name=卢俊义, nickname=玉麒麟]
HeroNode [no=4, name=公孙胜, nickname=入云龙]

四、循环链表的实现

 循环链表介绍

循环链表是另一种形式的链式存储结构。它的特点是表中最后一个结点的指针域指向头结点，整个链表形成一个环。

循环链表实现

public class LoopLinkedList {
    Node head;//头结点
    Node tail;//尾结点
    int size;//链表大小

public LoopLinkedList() {
       head=tail=null;
       size=0;
   }
   //链表大小
   public int getSize(){
       return size;
   }
   //头部增加节点
   public void addInHead(Node node){
       if(size==0){
        node.setNext(node);
        head=tail=node;
        size++;
       }else {
           tail.setNext(node);
           node.setNext(head);
           head=node;
           size++;
       }
   }
   //尾部增加节点
   public void addInTail(Node node){
       if(size==0){
           node.setNext(node);
           head=tail=node;
           size++;
       }else {
           tail.setNext(node);
           node.setNext(head);
           tail=node;
           size++;
       }
   }
   //删除头部节点
   public void deleteHead(){
       if(size>1){
           //原来的head=null将会被自动回收
           head=head.getNext();
           tail.setNext(head);
           size--;
       }else if(size==1){
           head=tail=null;
           size--;
       } else {
           System.out.println("链表为空");
       }
   }
   //删除尾部节点
   public void deleteTail(){
       if(size>1){
           Node temp=head;
           //循环遍历找到尾部节点
           while (temp.getNext()!=tail){
               temp=temp.getNext();
           }
           temp.setNext(head);
           size--;
       }else if(size==1){
           head=tail=null;
           size--;
       } else {
           System.out.println("链表为空");
       }
   }
   //遍历节点
   public void traverse(){
       if(size==0)
           System.out.println("链表为空");
       Node temp=head;
       while (temp.getNext()!=head){
           System.out.print(temp.getData());
           System.out.print("--->");
           temp=temp.getNext();
       }
       System.out.print(temp.getData());
       System.out.print("--->");
       System.out.print(head.getData());
   }
}

public class Test {
   public static void main(String[] args) {
       LoopLinkedList list = new LoopLinkedList();
       list.addInHead(new Node(1));
       list.addInHead(new Node(3));
       list.addInHead(new Node(4));
       list.addInTail(new Node(5));
       System.out.println(list.getSize());
       list.traverse();
       System.out.println();
       list.deleteHead();
       list.deleteTail();
       list.traverse();
   }
}
4
4--->3--->1--->5--->4
3--->1--->3

五，链表相关的面试题

求单链表中的有效节点个数

(如果是带头结点的链表，不统计头节点)

/**
*
* @param head 链表的头节点
* @return 返回的就是有效节点的个数
*/
public static int getLength(HeroNode head) {
if(head.next == null) { //空链表
return 0;
}
int length = 0;
//定义一个辅助的变量, 这里我们没有统计头节点
HeroNode cur = head.next;
while(cur != null) {
length++;
cur = cur.next; //遍历
}
return length;
}

查找单链表中的倒数第k个结点

思路分析：

1.编写一个方法，接收head节点，同时接收一个indexindex

2.表示是倒数第index个节点

3.先把链表从头到尾遍历，得到链表的总的长度 getLength

4.得到size 后，我们从链表的第一个开始遍历 (size-index)个，就可以得到

5.如果找到了，则返回该节点，否则返回null

public static HeroNode findLastIndexNode(HeroNode head, int index) {
//判断如果链表为空，返回null
if(head.next == null) {
return null;//没有找到
}
//第一个遍历得到链表的长度(节点个数)
int size = getLength(head);
//第二次遍历  size-index 位置，就是我们倒数的第K个节点
//先做一个index的校验
if(index <=0 || index > size) {
return null;
}
//定义给辅助变量， for 循环定位到倒数的index
HeroNode cur = head.next; //3 // 3 - 1 = 2
for(int i =0; i< size - index; i++) {
cur = cur.next;
}
return cur;

}

将单链表反转

如下所示：

思路分析：

代码如下：

public static void reversetList(HeroNode head) {
//如果当前链表为空，或者只有一个节点，无需反转，直接返回
if(head.next == null || head.next.next == null) {
return ;
}

//定义一个辅助的指针(变量)，帮助我们遍历原来的链表
HeroNode cur = head.next;
HeroNode next = null;// 指向当前节点[cur]的下一个节点
HeroNode reverseHead = new HeroNode(0, "", "");
//遍历原来的链表，每遍历一个节点，就将其取出，并放在新的链表reverseHead 的最前端
while(cur != null) {
next = cur.next;//先暂时保存当前节点的下一个节点，因为后面需要使用
cur.next = reverseHead.next;//将cur的下一个节点指向新的链表的最前端
reverseHead.next = cur; //将cur 连接到新的链表上
cur = next;//让cur后移
}
//将head.next 指向 reverseHead.next , 实现单链表的反转
head.next = reverseHead.next;
}

从尾到头打印链表

方案1.先将链表反转然后打印遍历代码如上所示

方案2.可以利用栈这个数据结构，将各个节点压入到栈中，然后利用栈的先进后出的特点，就实现了逆序打印的效果

public static void reversePrint(HeroNode head) {
if(head.next == null) {
return;//空链表，不能打印
}
//创建一个栈，将各个节点压入栈
Stack<HeroNode> stack = new Stack<HeroNode>();
HeroNode cur = head.next;
//将链表的所有节点压入栈
while(cur != null) {
stack.push(cur);
cur = cur.next; //cur后移，这样就可以压入下一个节点
}
//将栈中的节点进行打印,pop 出栈
while (stack.size() > 0) {
System.out.println(stack.pop()); //stack的特点是先进后出
}
}

来源：https://blog.csdn.net/weixin_44991304/article/details/116842466