模拟单链表
拿捏链表一
-
- 一、单向、不带头、非循环链表的结构
- 二、代码实现
- 三、框架分析
-
- 0. 对框架进行说明
- 1. 创建一个类 Node，表示节点
- 2. 模拟链表内部结构
- 3. 初始化一个链表
- 4. 打印每个节点对应的 val
- 5. 得到链表的长度
- 6. 头插法
- 7. 尾插法
- 8. 在任一位置插入节点
- 9. 查找关键字key是否在单链表当中
- 10. 删除第一次出现关键字为 key 的节点
- 11. 删除所有出现 key 的节点
- 12. 清空链表
- 四、测试程序
-
- 1. 初始化链表
- 2. 插入功能
- 3. 删除单节点
- 4. 删除指定的重复节点
- 总结
一、单向、不带头、非循环链表的结构
模拟五个节点，每个节点有两个域：
一个是数据域，存放的是元素
另一个是指针域，存放的是当前节点的下一个节点的地址
二、代码实现
1. 第一个 java 文件放的是两个类
一个类实现节点 Node，另一个类实现链表 LinkedList
class Node{
public int val;
public Node next;
public Node (int newval){
this.val = newval;
}
}
public class LinkedList {
//头指针
public Node head;
//初始化链表 ✓
public void initialList(){
Node node1 = new Node(12);
Node node2 = new Node(23);
Node node3 = new Node(34);
Node node4 = new Node(45);
Node node5 = new Node(56);
this.head = node1;
node1.next = node2;
node2.next = node3;
node3.next = node4;
node4.next = node5;
//此时的node5.next默认就是null
}
//打印链表每个节点存的元素 ✓
public void print(){
Node cur = this.head;
while(cur != null){
System.out.print(cur.val + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
//得到链表的长度 ✓
public int size(){
Node cur = this.head;
int count = 0;
while(cur != null){
count++;
cur = cur.next;
}
return count;
}
//头插法 ✓
public void addFirst(int data){
Node newnode = new Node(data);
if(this.head == null){
this.head = newnode;
return;
}
newnode.next = this.head;
this.head = newnode;
}
//尾插法 ✓
public void addLast(int data){
Node newnode = new Node(data);
if(this.head == null){
this.head = newnode;
return;
}
Node cur = this.head;
while(cur.next != null){
cur = cur.next;
}
cur.next = newnode;
}
//寻找要插入的位置，返回插入节点的前驱 ✓
public Node searchPos(int pos){
int sign = 0;
Node cur = this.head;
while(sign + 1 != pos){
sign++;
cur = cur.next;
}
return cur;
}
//任意位置插入,假设第一个数据节点为 0 号下标 ✓
public void insertData(int pos,int data){
//1. 位置不合法
if(pos<0 || pos>size()){
System.out.println("链表的插入位置不合法！");
}
//2. 头插
else if(pos == 0){
addFirst(data);
}
//3. 尾插
else if(pos == size()){
addLast(data);
}
//4. 中间插
else{
Node newnode = new Node(data);
Node cur = searchPos(pos);
newnode.next = cur.next;
cur.next = newnode;
}
}
//查找是否包含关键字key是否在单链表当中 ✓
public boolean contains(int key){
Node cur = this.head;
while(cur != null){
if(cur.val == key){
return true;
}else{
cur = cur.next;
}
}
return false;
}
//删除第一次出现关键字为key的节点 ✓
public void remove(int key){
//1. 链表为空
if(this.head == null){
System.out.println("链表为空，无法删除！");
return;
}
//2. 头删
if(this.head.val == key){
this.head = this.head.next;
return;
}
//3. 中间删 + 尾删
Node prev = this.head;
Node del = this.head;
while(prev.next != null){
if(prev.next.val != key){
prev = prev.next;
}
else{
del = prev;
del.next = del.next.next;
return;
}
}
System.out.println("你所删除的节点在链表中没有找到！");
}
//删除所有值为key的节点 ✓
public void removeAllKey(int key){
//1. 链表为空
if(this.head == null){
System.out.println("链表为空，无法删除！");
return;
}
//2. 开始删除重复的节点
Node cur = this.head;
Node prev = this.head;
while(cur != null){
if(cur.val == key){
prev.next = cur.next;
cur = cur.next;
}
else{
prev = cur;
cur = cur.next;
}
}
//3. 考虑头节点
if(this.head.val == key){
this.head = this.head.next;
}
}
//清空链表 ✓
public void clear(){
this.head = null;
}
}
2. 第二个 java 文件放的是一个类 Test
目的是使用主函数来测试单链表的一系列功能
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LinkedList test = new LinkedList();
test.initialList();
test.print();
}
}
三、框架分析
0. 对框架进行说明
（1）我所创建的框架是拆解了代码的方法（函数），把类中的每一个方法都拿出来仔细分析。
（2）我画图的地方可能有些不规范，比如地址的表示形式，比如箭头指向等等，我旨在表达逻辑，所以请读者自行理解，也请大佬多多指点。
1. 创建一个类 Node，表示节点
class Node {
public int val;
public Node next;
}
创建一个类 Node，表示节点,每次插入一个节点，就使用这个类
每个节点有两个元素：
一个存的是当前节点的值 val
另一个存的是下一个节点的地址 next，next 的类型是引用，即当前的 Node.
2. 模拟链表内部结构
class Node {
public int val;
public Node next;
public Node(int newval){
this.val = newval;
}
}
public class LinkedList {
public static void main(String[] args) {
Node node1 = new Node(12);
Node node2 = new Node(23);
Node node3 = new Node(34);
}
}
说明：类 Node 中的 public Node(int newval) { }，这是构造方法，以便于 LinkedList 中实例化对象，并赋值。
为了展现出清晰的链表结构，我们创建一个新的类 LinkedList，表示整个链表里面的结构，并在这个类中实现各种接口。我们尝试着直接往里面一个一个放数据，为了展示底层原理，我先放在主函数中以帮助理解。
我们为什么不把引用类型 next 置成 null 呢？因为 next 是一个成员变量，如果不将其初始化，那么默认为 null，即不指向任何对象的地址，下图辅助理解。
3. 初始化一个链表
public class LinkedList {
//头指针
public Node head;
//初始化链表 ✓
public void initialList(){
Node node1 = new Node(12);
Node node2 = new Node(23);
Node node3 = new Node(34);
Node node4 = new Node(45);
Node node5 = new Node(56);
this.head = node1;
node1.next = node2;
node2.next = node3;
node3.next = node4;
node4.next = node5;
//此时的node5.next默认就是null
}
}
在上述的解释后，我们已经清楚地了解了关于链表的一些基础结构。
那么接下来，在类 LinkedList 中，创建一个方法 initialList，来初始化一个链表，并利用实例化后的对象来将各个节点串起来，并注意，我们要引用一个成员变量 head，以此来记住链表是从哪开始的！而链表的尾部我们不关心，因为它肯定是 null.
从目前来看，这是一个很笨的穷举方法，然而，我们的目的是深入理解链表。
4. 打印每个节点对应的 val
//打印链表每个节点 ✓
public void print(){
Node cur = this.head;
while(cur != null){
System.out.print(cur.val + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
我们的思想是：遍历链表，当引用指向 null 时，那么就到了最后一个节点。
当然，我们要十分注意，要创建一个新的引用类型 cur，让这个 cur 去跑。因为你如果让 head 去遍历，head 不再指向第一个节点了，以此带来的结果是：我们不再能够控制链表，它就像一个无头苍蝇一样。
此外，我们让代码 cur = cur.next，来不断地拿到下一个节点的地址，以此来遍历，这和 C语言中的指针相似，只是实现方法不同。
下图辅助理解
5. 得到链表的长度
//得到链表的长度 ✓
public int size(){
Node cur = this.head;
int count = 0;
while(cur != null){
count++;
cur = cur.next;
}
return count;
}
6. 头插法
//头插法 ✓
public void addFirst(int data){
Node newnode = new Node(data);
if(this.head == null){
this.head = newnode;
return;
}
newnode.next = this.head;
this.head = newnode;
}
头插法的最关键的思想就是，改变头指针 head 指向的地址。
在没有插入数据之前，head 指向原先的 node1，在插入之后，新的节点 newnode 存放两个数据，一个是整型的 data，一个是空指针 null。
而我们要做的就是让 head 指向 newnode，而 newnode 这个新的节点存放的又是原先的 node1，所以我们通过以下两行代码进行实现
newnode.next = this.head <=> node1;
this.head = newnode;
而这两行核心代码不能颠倒顺序，否则，会导致死循环。
下图为辅助理解，应当注意的是，整个过程全部都是由地址实现转换的，另外，也要把整个链表为空的情况考虑进去。
7. 尾插法
//尾插法 ✓
public void addLast(int data){
Node newnode = new Node(data);
if(this.head == null){
this.head = newnode;
return;
}
Node cur = this.head;
while(cur.next != null){
cur = cur.next;
}
cur.next = newnode;
}
如果链表中有元素，那么就遍历链表找到最后一个节点存的地址，也就是 cur.next 必定为 null，然后就把新的节点地址赋给 cur.next。
下图为辅助理解，应当注意的是，整个过程全部都是由地址实现转换的，另外，也要把整个链表为空的情况考虑进去。
尾插法相比于头插法，较为简单，但是实现的思想相同。
8. 在任一位置插入节点
//寻找要插入的位置，返回插入节点的前驱 ✓
public Node searchPos(int pos){
int sign = 0;
Node cur = this.head;
while(sign + 1 != pos){
sign++;
cur = cur.next;
}
return cur;
}
//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标 ✓
public void insertData(int pos,int data){
//1. 位置不合法
if(pos<0 || pos>size()){
System.out.println("链表的插入位置不合法！");
}
//2. 头插
else if(pos == 0){
addFirst(data);
}
//3. 尾插
else if(pos == size()){
addLast(data);
}
//4. 中间插
else{
Node newnode = new Node(data);
Node cur = searchPos(pos);
newnode.next = cur.next;
cur.next = newnode;
}
}
在中间位置插入数据之前，每个节点的 “内存” 是连着的，所以我们考虑插入数据之后，也要满足上面的要求，就像一根线把零散的珠子串起来一样，上述代码分为几种情况，读者可自行体会，而我们下面只分析中间插入节点的情况。
思路如下：
在类中创建两个方法
一个函数是 searchPos，用来找到要插入节点位置下标的，并返回节点的前驱 cur，因为前驱即将存的是我们插入节点的地址，我们假设把第一个节点的下标设置成 0，第二个节点的下标设置成 1…
另一个函数是 insertData，用来执行插入节点后的地址转换
举个例子，我们在链表中插入的位置是下标 2，那么我们通过下面的图和代码进行演示，
而这两行核心代码不能颠倒顺序，否则，会导致死循环。
newcode.next = cur.next;
cur.next = newcode;
9. 查找关键字key是否在单链表当中
//查找是否包含关键字key是否在单链表当中 ✓
public boolean contains(int key){
Node cur = this.head;
while(cur != null){
if(cur.val == key){
return true;
}else{
cur = cur.next;
}
}
return false;
}
10. 删除第一次出现关键字为 key 的节点
//删除第一次出现关键字为key的节点 ✓
public void remove(int key){
//1. 链表为空
if(this.head == null){
System.out.println("链表为空，无法删除！");
return;
}
//2. 头删
if(this.head.val == key){
this.head = this.head.next;
return;
}
//3. 中间删 + 尾删
Node prev = this.head;
Node del = this.head;
while(prev.next != null){
if(prev.next.val != key){
prev = prev.next;
}
else{
del = prev;
del.next = del.next.next;
return;
}
}
System.out.println("你所删除的节点在链表中没有找到！");
}
这里就不再画图描述，思想和任意位置插入是一样的，所以我主要阐明一下步骤：
删除节点有如下几种情况：
（1）删除的链表是否为空
（2）如果链表不为空，删除的节点是否有对应的元素
（3）头删
（4）尾删
（5）中间删
假设我们删除的是 key 为 34，也就是 2 号位，那么我们一定要让 cur 走到 1号位，因为 1 号位是 2 号位的前驱，即1 号位存放着 2 号位的地址，然后通过如下代码，就可以完成目的，而删除尾部的节点，和此时的思想是一样的。
cur.next = cur.next.next
11. 删除所有出现 key 的节点
//删除所有出现 key 的节点 ✓
public void removeAllKey(int key){
//1. 链表为空
if(this.head == null){
System.out.println("链表为空，无法删除！");
return;
}
//2. 开始删除重复的节点
Node cur = this.head;
Node prev = this.head;
while(cur != null){
if(cur.val == key){
prev.next = cur.next;
cur = cur.next;
}
else{
prev = cur;
cur = cur.next;
}
}
//3. 考虑第一个节点
if(this.head.val == key){
this.head = this.head.next;
}
}
方法一：我们可以不断调用 remove 函数，一次调用删一个值，遍历很多次，然而这样的效率太低，所以我们可以尝试方法二。
方法二：我们可以只经过一次遍历，就可以达到所有删除的目的，下面我主要讲解方法二，方法二有两种情况。
（情况1）指定的节点在链表中非连续存放
举个例子：假设我们要删除的节点对应值 key 为 23
那么下图开始我的分析
拆解步骤：
步骤①：我们创建两个引用（指针）
一个是 cur， 代表搜寻指针，指向 head.next，目的是让 cur 遍历整个链表，遇到对应的 key，那么就停下，没遇到对应的 key，就继续跑，直到遇到 null，就跳出循环。
另一个是 prev， 代表 cur 的前驱指针，指向 head，目的是跟随指针 cur，起到串联链表中零散节点的作用。
后面的步骤开始执行：
例如步骤②，如果遇到了 key ，就执行如下代码
prev.next = cur.next; //串联零散节点
cur = cur.next; //继续遍历
例如步骤③，如果没遇到 key ，就执行如下代码
prev = cur; //重置前驱
cur = cur.next; //继续遍历
最后判断第一个节点 head.val 是否 == key，是 key 就重新指向，读者可以思考，如果 head 放在程序最开始判断，那么 head 将不断被改变，因为我们要删除 key 对应的节点的位置是不可预知的，这样考虑下来，直接将头指针放置在程序最后判断较为方便。
而最后一个节点是否有对应的 key 我们不用关心，因为它仍然符合以上代码。
此外，还有一种情况：
（情况2）指定的节点在链表中连续存放
此情况被被情况（1）包含，所以仍然符合以上代码，读者可以自行画图分析。
12. 清空链表
//清空链表 ✓
public void clear(){
this.head = null;
}
四、测试程序
1. 初始化链表
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LinkedList test = new LinkedList();
test.initialList();
test.print();
}
}
输出结果：
2. 插入功能
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LinkedList test = new LinkedList();
test.addFirst(1);
test.addFirst(3);
test.addFirst(5);
test.addFirst(7);
test.print();
test.addLast(2);
test.addLast(4);
test.addLast(6);
test.addLast(8);
test.print();
test.insertData(8,77);
test.print();
test.insertData(0,99);
test.print();
test.insertData(2,88);
test.print();
}
}
输出结果：
3. 删除单节点
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LinkedList test = new LinkedList();
test.addLast(1);
test.addLast(3);
test.addLast(5);
test.addLast(7);
test.addLast(9);
test.print();
test.remove(9);
test.print();
test.remove(1);
test.print();
test.remove(5);
test.print();
test.remove(10);
}
}
输出结果：
4. 删除指定的重复节点
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LinkedList test = new LinkedList();
test.addLast(2);
test.addLast(3);
test.addLast(5);
test.addLast(2);
test.addLast(2);
test.addLast(9);
test.addLast(2);
test.print();
test.removeAllKey(2);
test.print();
}
}
输出结果：
总结
- 刚接触单链表的时候，花了我很长时间，可能我和大家不一样，底层思想我是很快就懂了，但是使用 Java 代码实现的时候，却花了我很长时间。
- 总体来说，Java 实现链表确实要简洁一点，C / C++ 实现我没用过，但是肯定少不了指针和结构体，因为目前刚刚接触到类与对象的概念，从面向过程到面向对象，这是一个思维的大改变，确实不容易，使用引用的时候，很不习惯。
- 现在慢慢接触数据结构，还是很吃力的，我发现画图也是很重要的，如果草图表达的清楚了，并且自己可以耐心地一步步往下推，那么剩下的就是语法实现而已。
Over. 谢谢观看哟~