【算法篇】四种链表总结完毕，顺手刷了两道面试题紧张的羊
今日目录：
1：能够说出链表的存储结构和特点
2：能够说出链表的几种分类及各自的存储结构
3：能说出链表和数组的差异
4：完成实战演练题目
5：完成综合案例
1、概念及存储结构
问题：思考一下动态数组ArrayList存在哪些弊端？
1：插入，删除时间复杂度高
2：可能会造成内存空间的大量浪费
3：需要一块连续的存储空间，对内存的要求比较高，比如我们要申请一个1000M的数组，如果内存中没有连续的足够大的存储空间则会申请失败，即便内存的剩余可用空间大于1000M，仍然会申请失败。
结论：能否做到用多少内存空间就申请多少内存？
链表（Linked list）是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，链表中的每一个元素称之为结点（Node），结点之间用指针（引用）连接起来，指针的指向顺序代表了结点的逻辑顺序，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。
链表能解决数组不能解决的事情吗？
1：链表天生就具备动态扩容的特点，不需要像动态数组那样先申请一个更大的空间，然后将原空间内的数据拷贝到新空间；能够避免内存空的大量浪费
2：链表不需要一块连续的内存空间，它通过指针将一组零散的内存块串联起来使用，所以如果我们申请一个1000M大小的链表，只要内存剩余的可用空间大于1000M，便不会出现问题。
但是需注意：存储同样的数据，链表要比数组耗费内存！
2、链表分类
链表根据其结点之间的连接形式我们又可分为：单链表，双向链表，循环链表，双向循环链表
2.1、单链表
单链表就是我们刚刚讲到的链表的最基本的结构，链表通过指针将一组零散的内存块串联在一起。。如图所示，我们把这个记录下个结点地址的指针叫作后继指针 next ，如果链表中的某个节点为p，p的下一个节点为q，我们可以表示为：p.next=q
链表中有两个结点是比较特殊的，它们分别是第一个结点和最后一个结点。我们习惯性地把第一个结点叫作头结点，把最后一个结点叫作尾结点。其中，头结点用来记录链表的基地址,有了它，我们就可以遍历得到整条链表。而尾结点特殊的地方是：指针不是指向下一个结点，而是指向一个空地址 NULL，表示这是链表上最后一个结点。
与数组一样，链表也支持数据的查找、插入和删除操作。
在进行数组的插入、删除操作时，为了保持内存数据的连续性，需要做大量的数据搬移，所以时间复杂度是 O(n)。而在链表中插入或者删除一个数据，我们并不需要为了保持内存的连续性而搬移结点，因为链表的存储空间本身就不是连续的。所以，在链表中插入和删除一个数据是非常快速的。
如图所示，针对链表的插入和删除操作，我们只需要考虑相邻结点的指针改变，所以插入删除的时间复杂度是 O(1)。
但是，有利就有弊。链表要想随机访问第 k 个元素，就没有数组那么高效了。因为链表中的数据并非连续存储的，所以无法像数组那样，根据首地址和下标，通过寻址公式就能直接计算出对应的内存地址，而是需要根据针一个结点一个结点地依次遍历，直到找到相应的结点，所以，链表随机访问的性能没有数组好，查询的时间复杂度是O(n)。
2.2、双向链表
单向链表只有一个方向，结点只有一个后继指针 next。而双向链表，顾名思义，它支持两个方向，每个结点不止有一个后继指针 next 指向后面的结点，还有一个前驱指针 prev 指向前面的结点，如图所示
从图中可以看出来，双向链表需要额外的两个空间来存储后继结点和前驱结点的地址。所以，如果存储同样多的数据，双向链表要比单链表占用更多的内存空间。虽然两个指针比较浪费存储空间，但可以支持双向遍历，这样也带来了双向链表操作的灵活性，比如
1：可以在O(1)时间内找到给定结点的前驱节点，而对于单链表则需要O(n)的时间
2：根据索引来查找元素时可极大提升查找效率
.....
在很多场景下双向链表都比单向链表更加高效，这就是为什么在实际的软件开发中，双向链表尽管比较费内存，但还是比单链表的应用更加广泛的原因。如果你熟悉 Java 语言，你肯定用过LinkedHashMap 这个容器。如果你深入研究 LinkedHashMap 的实现原理，就会发现其中就用到了双向链表这种数据结构。
实际上，这里有一个更加重要思想就是用空间换时间的设计思想。当内存空间充足的时候，如果我们更加追求代码的执行速度，我们就可以选择空间复杂度相对较高、但时间复杂度相对很低的算法或者数据结构。相反，如果内存比较紧缺，比如代码跑在手机等存储容量小的设备上，这个时候，就要反过来用时间换空间的设计思路。比如最典型的缓存系统就是一个用空间换时间的思想。
2.3、循环链表
循环链表是一种特殊的单链表。实际上，循环链表也很简单。它跟单链表唯一的区别就在尾结点。我们知道，单链表的尾结点指针指向空地址，表示这就是最后的结点了。而循环链表的尾结点指针是指向链表的头结点。从我画的循环链表图中，你应该可以看出来，它像一个环一样首尾相连，所以叫作“循环”链表，和单链表相比，循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。当要处理的数据具有环型结构特点时，就特别适合采用循环链表，循环链表的结构如图所示
2.4、双向循环链表
了解了循环链表和双向链表，如果把这两种链表整合在一起就是一个双向循环链表
3、小结&实战
3.1、链表数组对比
数组和链表是两种截然不同的内存组织方式。正是因为内存存储的区别，它们插入、删除、随机访问操作的时间复杂度正好相反，下图表明了链表和数组在插入删除和随机访问上时间复杂度的对比
3.2、206. 反转链表
字节跳动，腾讯，阿里，美团点评最近面试题，206. 反转链表
高频题
双指针迭代
class Solution {
public ListNode reverseList(ListNode head) {
ListNode prev = null;
ListNode curr = head;
while (curr !=null) {
ListNode temp = curr.next;
curr.next = prev;
prev = curr;
curr = temp;
}
return prev;
}
}
3.3、141. 环形链表
阿里，腾讯，百度最近面试题，141. 环形链表
快慢指针
public class Solution {
public boolean hasCycle(ListNode head) {
//特殊判断
if (head == null || head.next == null) {
return false;
}
ListNode fast = head;
ListNode slow = head;
//两个指针分别下后走
while (true) {
fast = fast.next.next;
slow = slow.next;
if (fast == null || fast.next == null) {
return false;
}
if (fast == slow) {
break;
}
}
return true;
}
}
4、综合案例
4.1、需求
在学习数组的时候我们基于数组实现了一个List容器，支持数据的添加，修改，删除，查询等操作，今天学习完链表之后能够基于链表来实现一个LinkedList容器呢？
要求：
1：要求和动态数组ArrayList具备相同的功能
2：请基于双向链表实现，
4.2、实现
（1）定义接口，com.itheima.linkedlist.inf.List，接口方法跟之前实现ArrayList时一样，只不过添加上泛型
package com.itheima.linkedlist.inf; /** * Created by 传智播客*黑马程序员. */ public interface List{ /** * 返回容器中元素的个数 * @return */ int size(); /** * 判断容器是否为空 * @return */ boolean isEmpty(); /** * 查询元素在容器中的索引下标 * @param o 元素对象 * @return 在容器中的下标 不存在则返回-1 */ int indexOf(E o); /** * 判断容器是否包含某个特定的元素 * @param e * @return */ boolean contains(E e); /** * 将元素添加到容器结尾 * @param e 要添加的元素 * @return 是否添加成功 */ boolean add(E e); /** * 向指定位置添加元素 * @param index 位置下标 * @param element 元素对象 */ void add(int index, E element); /** * 用指定的元素替换指定位置的数据 * @param index 指定的位置索引下标 * @param element 新的元素 * @return 原始的元素 */ E set(int index, E element); /** * 获取指定位置的元素 * @param index 索引下标 * @return 该位置的元素 */ E get(int index); /** * 移除指定位置的元素 * @param index 索引下标 * @return 被移除的元素 */ E remove(int index); /** * 清除容器中所有元素 */ void clear(); }
（2）创建接口实现：com.itheima.linkedlist.LinkedList，实现对应接口
（3）容器要基于双向链表实现，链表是由一个一个结点构成的，因此定义链表结点对象，编写一个静态的内部类
//定义链表结点对象 private static class Node{ E val; Node prev; Node next; //定义构造 public Node(Node prev,E val,Node next){ this.prev = prev; this.val = val; this.next = next; } }
（4）定义相关的成员变量
//定义容器中元素的个数 int size; //定义链表的头结点 Nodefirst; //定义链表的尾结点 Node last;
（5）完成size,isEmpty,indexOf,contains等方法的编写
@Override
public int size() {
return size;
}
@Override
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
@Override
public int indexOf(E o) {
int index = 0;
//分情况 o是否为null，为null和不为null判断的方式不一样，null是用==，不为null用equals
if (o == null) {
for ( Node x = first;x!=null;x=x.next) {
if (x.val == null) {
return index;
}
index++;
}
}else {
for ( Node x = first;x!=null;x=x.next) {
if (o.equals(x.val)) {
return index;
}
index++;
}
}
return -1;
}
@Override
public boolean contains(E e) {
return indexOf(e) != -1;
}
（6）完成add方法的编写
@Override
public boolean add(E e) {
//添加是将元素值添加到链表尾部
linkLast(e);
return true;
}
private void linkLast(E e) {
Node l = last;
Node newNode = new Node(l,e,null);
last = newNode;
if (l==null) {
//第一次添加
first = newNode;
}else {
l.next = newNode;
}
size++;
}
@Override
public void add(int index, E element) {
//检查索引
checkIndex(index);
if (index == size) {
linkLast(element);
}else {
linkBefore(element,node(index));
}
}
/**
* 在指定结点前添加一个元素
* @param element
* @param node
*/
private void linkBefore(E element, Node node) {
Node prev = node.prev;
Node newNode = new Node(prev,element,node);
node.prev = newNode;
if (prev == null) {
first = newNode;
}else {
prev.next = newNode;
}
size++;
}
/**
* 查找索引为index的结点
* @param index
* @return
*/
private Node node(int index){
//折半查找
if ( index < (size >> 1)) {
//从头开始查找
Node f = first;
for (int i = 0;i< index;i++) { //i l = last;
for (int i=size-1;i> index;i--) {//同上
l = l.prev;
}
return l;
}
}
private void checkIndex(int index) {
if (index < 0 || index > size) {
throw new IndexOutOfBoundsException("index"+index+",size="+size);
}
}
（7）完成set，get方法的编写
/**
* 替换指定索引位置的元素
* @param index 指定的位置索引下标
* @param element 新的元素
* @return
*/
@Override
public E set(int index, E element) {
isElementIndex(index);
Node oldNode = node(index);
E oldVal = oldNode.val;
oldNode.val = element;
return oldVal;
}
private void isElementIndex(int index) {
if (index < 0 || index >=size) {
throw new IndexOutOfBoundsException("index="+index+",size="+size);
}
}
@Override
public E get(int index) {
isElementIndex(index);
return node(index).val;
}
（8）完成remove方法的编写
@Override
public E remove(int index) {
isElementIndex(index);
Node node = node(index);
return unlink(node);
}
private E unlink(Node node) {
Node prev = node.prev;
Node next = node.next;
E val = node.val;
node.val = null;
//node是头结点
if (prev == null) {
first = next;
}else {
prev.next = next;
node.prev = null;
}
//node是尾结点
if (next == null) {
last = prev;
}else {
next.prev = prev;
node.next = null;
}
size--;
return val;
}
（9）完成clear，toString方法的编写
@Override
public void clear() {
for (Node l = first;l!=null;) {
Node next = l.next;
l.val = null;
l.prev = null;
l.next = null;
l = next;
}
first = last = null;
size=0;
}
@Override
public String toString() {
//输出 1->2->Null格式的数据
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
for (Node l=first;l!=null;l = l.next) {
stringBuilder.append(l.val).append("->");
}
stringBuilder.append("Null");
return stringBuilder.toString();
}
（10）编写测试类：com.itheima.linkedlist.LinkedListTest
public static void main(String[] args) {
List list = new LinkedList();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
System.out.println("容器内元素为:"+list); // 1->2->3->Null
System.out.println("容器内元素个数:"+list.size()+"容器是否为空:"+list.isEmpty());
System.out.println("容器中是否包含3:"+list.contains(3));
list.add(0,4);// 4->1->2->3->Null
System.out.println("容器内元素为:"+list);
list.add(3,5);//4->1->2->5->3->Null
System.out.println("容器内元素为:"+list);
list.add(2,6);//4->1->6->2->5->3->Null
System.out.println("容器内元素为:"+list);
System.out.println("获取索引为0的元素:"+list.get(0));
System.out.println("获取索引为5的元素:"+list.get(5));
System.out.println("获取索引为2的元素:"+list.get(2));
list.remove(0);//1->6->2->5->3->Null
System.out.println("容器内元素为:"+list);
list.remove(3);//1->6->2->3->Null
System.out.println("移除后容器内元素为:"+list);
list.clear();
System.out.println("清空后为:"+list);
}
查看输出结果！
容器内元素为:1->2->3->Null
容器内元素个数:3容器是否为空:false
容器中是否包含3:true
容器内元素为:4->1->2->3->Null
容器内元素为:4->1->2->5->3->Null
容器内元素为:4->1->6->2->5->3->Null
获取索引为0的元素:4
获取索引为5的元素:3
获取索引为2的元素:6
容器内元素为:1->6->2->5->3->Null
移除后容器内元素为:1->6->2->3->Null
清空后为:Null
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