23張圖！萬字詳解「鏈表」，從小白到大佬！
鏈表和數(shù)組是數(shù)據(jù)類型中兩個(gè)重要又常用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型。
數(shù)組是連續(xù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此它的優(yōu)勢(shì)是可以通過下標(biāo)迅速的找到元素的位置，而它的缺點(diǎn)則是在插入和刪除元素時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量元素的被迫移動(dòng)，為了解決和平衡此問題于是就有了鏈表這種數(shù)據(jù)類型。
鏈表和數(shù)組可以形成有效的互補(bǔ)，這樣我們就可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型了。那么，本文我們就來重點(diǎn)介紹學(xué)習(xí)一下鏈表，一是因?yàn)樗浅Ｖ匾且驗(yàn)槊嬖嚤乜迹葋砜幢疚拇缶V：
看過某些抗日神劇我們都知道，某些秘密組織為了防止組織的成員被“一窩端”，通常會(huì)采用上下級(jí)單線聯(lián)系的方式來保護(hù)其他成員，而這種“行為”則是鏈表的主要特征。
簡(jiǎn)介
鏈表(Linked List)是一種常見的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一種線性表，但是并不會(huì)按線性的順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)里存到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針(Pointer)。
鏈表是由數(shù)據(jù)域和指針域兩部分組成的，它的組成結(jié)構(gòu)如下：
復(fù)雜度分析
由于鏈表無需按順序存儲(chǔ)，因此鏈表在插入的時(shí)可以達(dá)到 O(1) 的復(fù)雜度，比順序表快得多，但是查找一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者訪問特定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)則需要 O(n) 的時(shí)間，而順序表插入和查詢的時(shí)間復(fù)雜度分別是 O(log n) 和 O(1)。
優(yōu)缺點(diǎn)分析
使用鏈表結(jié)構(gòu)可以克服數(shù)組鏈表需要預(yù)先知道數(shù)據(jù)大小的缺點(diǎn)，鏈表結(jié)構(gòu)可以充分利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)靈活的內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理。但是鏈表失去了數(shù)組隨機(jī)讀取的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鏈表由于增加了結(jié)點(diǎn)的指針域，空間開銷比較大。
分類
鏈表通常會(huì)分為以下三類：
- 單向鏈表
- 雙向鏈表
- 循環(huán)鏈表
- 單循鏈表
- 雙循環(huán)鏈表
1.單向鏈表
鏈表中最簡(jiǎn)單的一種是單向鏈表，或叫單鏈表，它包含兩個(gè)域，一個(gè)數(shù)據(jù)域和一個(gè)指針域，指針域用于指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)則指向一個(gè)空值，如下圖所示：
單鏈表的遍歷方向單一，只能從鏈頭一直遍歷到鏈尾。它的缺點(diǎn)是當(dāng)要查詢某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，只能再次從頭進(jìn)行遍歷查詢，因此效率比較低，而雙向鏈表的出現(xiàn)恰好解決了這個(gè)問題。
接下來，我們用代碼來實(shí)現(xiàn)一下單向鏈表的節(jié)點(diǎn)：
- private static class Node<E> {
- E item;
- Node<E> next;
- Node(E element, Node<E> next) {
- this.item = element;
- this.next = next;
- }
- }
2.雙向鏈表
雙向鏈表也叫雙面鏈表，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)由三部分組成：prev 指針指向前置節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和 next 指針指向后置節(jié)點(diǎn)，如下圖所示：
接下來，我們用代碼來實(shí)現(xiàn)一下雙向鏈表的節(jié)點(diǎn)：
- 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.循環(huán)鏈表
循環(huán)鏈表又分為單循環(huán)鏈表和雙循環(huán)鏈表，也就是將單向鏈表或雙向鏈表的首尾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了單循環(huán)鏈表或雙循環(huán)鏈表了，如下圖所示：
Java中的鏈表
學(xué)習(xí)了鏈表的基礎(chǔ)知識(shí)之后，我們來思考一個(gè)問題：Java 中的鏈表 LinkedList 是屬于哪種類型的鏈表呢?單向鏈表還是雙向鏈表?
要回答這個(gè)問題，首先我們要來看 JDK 中的源碼，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
- {
- // 鏈表大小
- transient int size = 0;
- // 鏈表頭部
- transient Node<E> first;
- // 鏈表尾部
- transient Node<E> last;
- public LinkedList() {
- }
- public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
- this();
- addAll(c);
- }
- // 獲取頭部元素
- public E getFirst() {
- final Node<E> f = first;
- if (f == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return f.item;
- }
- // 獲取尾部元素
- public E getLast() {
- final Node<E> l = last;
- if (l == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return l.item;
- }
- // 刪除頭部元素
- public E removeFirst() {
- final Node<E> f = first;
- if (f == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return unlinkFirst(f);
- }
- // 刪除尾部元素
- public E removeLast() {
- final Node<E> l = last;
- if (l == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return unlinkLast(l);
- }
- // 添加頭部元素
- public void addFirst(E e) {
- linkFirst(e);
- }
- // 添加頭部元素的具體執(zhí)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);
- }
- // 添加尾部元素的具體方法
- 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++;
- }
- // 查詢鏈表個(gè)數(shù)
- public int size() {
- return size;
- }
- // 清空鏈表
- 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++;
- }
- // 根據(jù)下標(biāo)獲取元素
- 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......
- }
從上述節(jié)點(diǎn) Node 的定義可以看出：LinkedList 其實(shí)是一個(gè)雙向鏈表，因?yàn)樗x了兩個(gè)指針 next 和 prev 分別用來指向自己的下一個(gè)和上一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
鏈表常用方法
LinkedList 的設(shè)計(jì)還是很巧妙的，了解了它的實(shí)現(xiàn)代碼之后，下面我們來看看它是如何使用的?或者說它的常用方法有哪些。
1.增加
接下來我們來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("頭部添加"); // 添加元素到頭部
- list.addLast("尾部添加"); // 添加元素到最后
- System.out.println(list);
- }
- }
以上代碼的執(zhí)行結(jié)果為：
- [頭部添加, Java, 中文, 社群, 尾部添加]
出來以上的 3 個(gè)增加方法之外，LinkedList 還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)：向鏈表末尾添加元素，返回是否成功;
- offerFirst(E e)：頭部插入元素，返回是否成功;
- offerLast(E e)：尾部插入元素，返回是否成功。
add 和 offer 的區(qū)別
它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：
offer 方法屬于 Deque接口，add 方法屬于 Collection的接口;
當(dāng)隊(duì)列添加失敗時(shí)，如果使用 add 方法會(huì)報(bào)錯(cuò)，而 offer 方法會(huì)返回 false。
2.刪除
刪除功能的演示代碼如下：
- import java.util.LinkedList;
- public class LinkedListTest {
- public static void main(String[] a) {
- LinkedList list = new LinkedList();
- list.offer("頭部");
- list.offer("中間");
- list.offer("尾部");
- list.removeFirst(); // 刪除頭部元素
- list.removeLast(); // 刪除尾部元素
- System.out.println(list);
- }
- }
以上代碼的執(zhí)行結(jié)果為：
[中間]
除了以上刪除方法之外，更多的刪除方法如下所示：
- clear()：清空鏈表;
- removeFirst()：刪除并返回第一個(gè)元素;
- removeLast()：刪除并返回最后一個(gè)元素;
- remove(Object o)：刪除某一元素，返回是否成功;
- remove(int index)：刪除指定位置的元素;
- poll()：刪除并返回第一個(gè)元素;
- remove()：刪除并返回第一個(gè)元素。
3.修改
修改方法的演示代碼如下：
- 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);
- }
- }
以上代碼的執(zhí)行結(jié)果為：
- [Java, MySQL, Oracle]
4.查詢查詢方法的演示代碼如下：
- 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() 獲取 ---
- // 獲取最后一個(gè)
- System.out.println(list.getLast());
- // 獲取首個(gè)
- System.out.println(list.getFirst());
- // 根據(jù)下標(biāo)獲取
- System.out.println(list.get(1));
- // peekXXX() 獲取
- System.out.println("--- peek() ---");
- // 獲取最后一個(gè)
- System.out.println(list.peekLast());
- // 獲取首個(gè)
- System.out.println(list.peekFirst());
- // 根據(jù)首個(gè)
- System.out.println(list.peek());
- }
- }
以上代碼的執(zhí)行結(jié)果為：
- DB
- Java
- MySQL
- --- peek() ---
- DB
- Java
- Java
5.遍歷
LinkedList 的遍歷方法包含以下三種。
遍歷方法一：
- for (int size = linkedList.size(), i = 0; i < size; i++) {
- System.out.println(linkedList.get(i));
- }
遍歷方法二：
- for (String str: linkedList) {
- System.out.println(str);
- }
遍歷方法三：
- Iterator iter = linkedList.iterator();
- while (iter.hasNext()) {
- System.out.println(iter.next());
- }
鏈表應(yīng)用：隊(duì)列 & 棧
1.用鏈表實(shí)現(xiàn)棧
接下來我們用鏈表來實(shí)現(xiàn)一個(gè)先進(jìn)先出的“隊(duì)列”，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
- LinkedList list = new LinkedList();
- // 元素入列
- list.add("Java");
- list.add("中文");
- list.add("社群");
- while (!list.isEmpty()) {
- // 打印并移除隊(duì)頭元素
- System.out.println(list.poll());
- }
以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下：
- Java
- 中文
- 社群
2.用鏈表實(shí)現(xiàn)隊(duì)列
然后我們用鏈表來實(shí)現(xiàn)一個(gè)后進(jìn)先出的“棧”，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
- LinkedList list = new LinkedList();
- // 元素入棧
- list.add("Java");
- list.add("中文");
- list.add("社群");
- while (!list.isEmpty()) {
- // 打印并移除棧頂元素
- System.out.println(list.pollLast());
- }
以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下：
- 社群
- 中文
- Java
鏈表使用場(chǎng)景
鏈表作為一種基本的物理結(jié)構(gòu)，常被用來構(gòu)建許多其它的邏輯結(jié)構(gòu)，如堆棧、隊(duì)列都可以基于鏈表實(shí)現(xiàn)。
所謂的物理結(jié)構(gòu)是指可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在物理空間中，比如數(shù)組和鏈表都屬于物理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);而邏輯結(jié)構(gòu)則是用于描述數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系的，它可以由多種不同的物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，比如隊(duì)列和棧都屬于邏輯結(jié)構(gòu)。
鏈表常見筆試題
鏈表最常見的筆試題就是鏈表的反轉(zhuǎn)了，之前的文章《鏈表反轉(zhuǎn)的兩種實(shí)現(xiàn)方法，后一種擊敗了100%的用戶!》我們提供了 2 種鏈表反轉(zhuǎn)的方法，而本文我們?cè)賮頂U(kuò)充一下，提供 3 種鏈表反轉(zhuǎn)的方法。
實(shí)現(xiàn)方法 1：Stack我們先用圖解的方式來演示一下，使用棧實(shí)現(xiàn)鏈表反轉(zhuǎn)的具體過程，如下圖所示。
全部入棧：
全部入棧：
因?yàn)闂Ｊ窍冗M(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此它的執(zhí)行過程如下圖所示：
最終的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
- public ListNode reverseList(ListNode head) {
- if (head == null) return null;
- Stack<ListNode> stack = new Stack<>();
- stack.push(head); // 存入第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
- while (head.next != null) {
- stack.push(head.next); // 存入其他節(jié)點(diǎn)
- head = head.next; // 指針移動(dòng)的下一位
- }
- // 反轉(zhuǎn)鏈表
- ListNode listNode = stack.pop(); // 反轉(zhuǎn)第一個(gè)元素
- ListNode lastNode = listNode; // 臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，在下面的 while 中記錄上一個(gè)節(jié)點(diǎn)
- while (!stack.isEmpty()) {
- ListNode item = stack.pop(); // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
- lastNode.next = item;
- lastNode = item;
- }
- lastNode.next = null; // 最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)賦為null（不然會(huì)造成死循環(huán)）
- return listNode;
- }
LeetCode 驗(yàn)證結(jié)果如下圖所示：
可以看出使用棧的方式來實(shí)現(xiàn)鏈表的反轉(zhuǎn)執(zhí)行的效率比較低。
實(shí)現(xiàn)方法2：遞歸
同樣的，我們先用圖解的方式來演示一下，此方法實(shí)現(xiàn)的具體過程，如下圖所示。
實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
- public static ListNode reverseList(ListNode head) {
- if (head == null || head.next == null) return head;
- // 從下一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始遞歸
- ListNode reverse = reverseList(head.next);
- head.next.next = head; // 設(shè)置下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的 next 為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
- head.next = null; // 把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的 next 賦值為 null，避免循環(huán)引用
- return reverse;
- }
LeetCode 驗(yàn)證結(jié)果如下圖所示：
可以看出這種實(shí)現(xiàn)方法在執(zhí)行效率方面已經(jīng)滿足我們的需求了，性能還是很高的。
實(shí)現(xiàn)方法 3：循環(huán)
我們也可以通過循環(huán)的方式來實(shí)現(xiàn)鏈表反轉(zhuǎn)，只是這種方法無需重復(fù)調(diào)用自身方法，只需要一個(gè)循環(huán)就搞定了，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
- class Solution {
- public ListNode reverseList(ListNode head) {
- if (head == null) return null;
- // 最終排序的倒序鏈表
- ListNode prev = null;
- while (head != null) {
- // 循環(huán)的下個(gè)節(jié)點(diǎn)
- ListNode next = head.next;
- // 反轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)操作
- head.next = prev;
- // 存儲(chǔ)下個(gè)節(jié)點(diǎn)的上個(gè)節(jié)點(diǎn)
- prev = head;
- // 移動(dòng)指針到下一個(gè)循環(huán)
- head = next;
- }
- return prev;
- }
- }
LeetCode 驗(yàn)證結(jié)果如下圖所示：
從上述圖片可以看出，使用此方法在時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上都是目前的最優(yōu)解，比之前的兩種方法更加理想。
總結(jié)
本文我們講了鏈表的定義，它是由數(shù)據(jù)域和指針域兩部分組成的。鏈表可分為：?jiǎn)蜗蜴湵怼㈦p向鏈表和循環(huán)鏈表，其中循環(huán)鏈表又可以分為單循鏈表和雙循環(huán)鏈表。通過 JDK 的源碼可知，Java 中的 LinkedList 其實(shí)是雙向鏈表，我們可以使用它來實(shí)現(xiàn)隊(duì)列或者棧，最后我們講了反轉(zhuǎn)鏈表的 3 種實(shí)現(xiàn)方法，希望本文的內(nèi)容對(duì)你有幫助。
