C#集合本质之链表的用法详解

链表的由来和定义

在现实生活中，我们把不同的商品放在一个购物车中。而在面向对象的世界里，有时候，也需要把不同类型的数据放到一起，组成一个集合。集合中的元素并不是彼此孤立的，在C#中，如何表达集合元素间的关系呢？

借助"自引用类"可以确立集合元素间的关系。比如有这样一个自引用类：

public class Node
{
    public int Data{get;set;}
    public Node Next{get;set;}
    public Node(int dataValue)
    {}
}

Node类的最大特点是：存在一个Node类型的属性，这个属性指向Node的另一个实例，Next属性也称为"引用链"。放到集合的场景中来说就是：把多个Node实例放到一个集合中，每一个Node实例包含一个Next属性指向下一个Node实例。而该集合中的最后一个Node实例会指向null。用图表示就是：

链表就是自引用类对象的线性集合，即序列。

由于每个自引用对象是由引用链链接起来，所以叫链表。堆栈与队列是约束版的链表，而二叉查找数是非线性数据结构。

链表的节点或元素虽然在逻辑上是连续的、线性的，当其内存不是连续存储的；数组元素在内存中是连续的，所以我们才可以通过索引来访问数组元素。

创建一个单向链表

首先创建一个节点，是一个自引用类：

namespace LinkedListLibrary
{
    public class ListNode
    {
        //当前节点对象
        public object Data { get; private set; }
        //Next属性也称为链，指向另一个ListNode对象实例，这样就把2个ListNode对象实例链接起来了
        public ListNode Next { get; set; }
        public ListNode(object dataValue): this(dataValue, null)
        {
            
        }
        public ListNode(object dataValue, ListNode nextNode)
        {
            Data = dataValue;
            Next = nextNode;
        }
    }
}

再模拟一个链表，如下：

namespace LinkedListLibrary
{
    public class List
    {
        private ListNode firstNode;
        private ListNode lastNode;
        private string name;
        public List(string listName)
        {
            name = listName;
            firstNode = lastNode = null;
        }
        public List() : this("list"){}
     
         ......
        //如果第一个节点是null，那就说明集合为空
        public bool IsEmpty()
        {
            return firstNode == null;
        }
    }
}

以上，如果第一个节点为null，那就说明该链表为空。List类提供了IsEmpty方法用来判断链表是否为空。List还包含另外5个重要的方法，下面展开来说。

在链表的的第一个节点前插入。

        //在最前面插入元素、节点
        public void InsertAtFront(object insertItem)
        {
            if (IsEmpty())//如果集合为空，加进来一个元素，相当于第一个节点和第二个节点相同，都是新加的元素
            {
                firstNode = lastNode = new ListNode(insertItem);
            }
            else //如果集合不为空，第一个节点就是新加的元素,原先的第一个节点变为下一个节点
            {
                firstNode = new ListNode(insertItem, firstNode);
            }
        }

以上，当集合不为空的情况下，实际上是把新添加的节点设为第一个节点，并把新的第一个节点的引用链指向原先的第一个节点。

在链表的最后一个节点后插入。

        public void InsertAtBack(object insertItem)
        {
            if (IsEmpty())//如果原先集合为空，第一个节点和最后一个节点就是新加的节点
            {
                firstNode = lastNode = new ListNode(insertItem);
            }
            else//如果原先的集合不为空，最后一个节点的属性值就是新加的节点
            {
                lastNode = lastNode.Next = new ListNode(insertItem);
            }
        }

以上，当集合不为空的情况下，实际上是把新添加的节点设置成最后一个节点，并把新的最后一个节点的引用链指向null。

移除链表最前面的节点。

        //移除最前面的元素、节点
        //即重新设置第一个节点的Next属性
        public object RemoveFromFront()
        {
            if (IsEmpty())
                throw new EmptyListException(name);
            //从第一个节点中取出节点对象
            object removeItem = firstNode.Data;
            if (firstNode == lastNode) //如果集合中只有一个元素
            {
                firstNode = lastNode = null;
            }
            else //正常情况下，把firstNode的Next属性所指向的节点赋值给第一个节点
            {
                firstNode = firstNode.Next;
            }
            return removeItem;
        }

以上，本质是把原先排在第二位置的节点设置成第一个节点。

移除链表最后面的节点。

        //移除最后面的元素、节点
        public object RemoveFromBack()
        {
            if (IsEmpty())
            {
                throw new EmptyListException();
            }
            //从最后一个节点中获取节点对象
            object removeItem = lastNode.Data;
            if (firstNode == lastNode)//如果当前集合只有一个节点
            {
                firstNode = lastNode = null;
            }
            else
            {
                //先把第一个节点作为当前节点
                ListNode current = firstNode; 
                //改变除最后一个节点之外的节点的值
                while (current.Next != lastNode)
                {
                    current = current.Next;
                }
                //最后current变成倒数第二个节点
                lastNode = current;
                current.Next = null;//最后一个节点的Next属性为null，即没有指向另一个节点
            }
            return removeItem;
        }

以上，从第一个节点开始，一直循环到倒数第二个节点，current就像一个指针，每指到一个节点，就把该节点的下面一个节点设置为当前节点。最后，把倒数第二个节点设置为最后一个节点。 把Current的引用链设置为null，让其能被垃圾回收机制回收。

打印链表。

        //打印显示
        public void Display()
        {
            if (IsEmpty())
            {
                Console.WriteLine("集合" + name + "为空");
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("集合的名称是：" + name);
                //先把第一个节点作为当前节点
                ListNode current = firstNode;
                while (current != null)
                {
                    //把当前节点对象打印出来
                    Console.Write(current.Data + " ");
                    //把下一个节点设置为当前节点
                    current = current.Next;
                }
                Console.WriteLine("\n");
            }
        }   

以上，从第一个节点开始，一直循环到最后一个节点，current就像一个指针，每打印一个节点，就把当前节点设置为下一个节点，一直循环下去。

EmptyListException用来抛出链表为空的异常。

namespace LinkedListLibrary
{
    public class EmptyListException : Exception
    {
        public EmptyListException() : base("当前集合为空"){}
        public EmptyListException(string name) : base("集合" + name + "为空"){}
        public EmptyListException(string exception, Exception inner) : base(exception, inner){}
    }
}

客户端调用：

using LinkedListLibrary;
namespace ListTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            List list = new List();
            bool aBoolean = true;
            char aChar = 'a';
            int anInt = 12;
            string aStr = "hi";
            list.InsertAtFront(aBoolean);
            list.Display();
            list.InsertAtFront(aChar);
            list.Display();
            list.InsertAtBack(anInt);
            list.Display();
            list.InsertAtBack(aStr);
            list.Display();
            object removeObject;
            try
            {
                removeObject = list.RemoveFromFront();
                Console.WriteLine(removeObject + "被删除了...");
                list.Display();
                removeObject = list.RemoveFromFront();
                Console.WriteLine(removeObject + "被删除了...");
                list.Display();
                removeObject = list.RemoveFromBack();
                Console.WriteLine(removeObject + "被删除了...");
                list.Display();
                removeObject = list.RemoveFromBack();
                Console.WriteLine(removeObject + "被删除了...");
                list.Display();
            }
            catch (EmptyListException emptyListException)
            {
                Console.Error.WriteLine("\n" + emptyListException);
            }
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

其它链表

以上，创建的是单向链表，其特点是第一个节点开始包含引用链，每个节点的引用链指向下一个节点，最后一个节点的引用链为null。单向链表只能从一个方向遍历。

环形单向链表与单向链表的区别是：其最后一个节点的引用链指向第一个节点。环形单向链表也只能从一个方向遍历，只不过遍历到最后一个节点后，又回到第一个节点重新开始遍历。

双向链表的第一个节点只包含指向下一个节点的引用链，最后一个节点只包含指向上一个节点的引用链，其它节点同时包含指向前一个节点和后一个节点的引用链。双向链表支持向前和向后遍历。

环形双向链表与双向链表的区别是：第一个节点向后引用链指向最后一个节点，而最后一个节点的向前引用链指向第一个节点。

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