07.LinkedList与链表

1. ArrayList的缺陷

通过源码知道，ArrayList底层使用数组来存储元素：

public class ArrayList extends AbstractList
        implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    // ...
// 默认容量是10
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //...
// 数组：用来存储元素
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    // 有效元素个数
    private int size;

    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " +
                    initialCapacity);
        }
    }
// ...
}

由于其底层是一段连续空间，当在ArrayList任意位置插入或者删除元素时，就需要将后序元素整体往前或者往后 搬移，时间复杂度为O(n)，效率比较低，因此ArrayList不适合做任意位置插入和删除比较多的场景。因此：java 集合中又引入了LinkedList，即链表结构。

2. 链表

2.1 链表的概念及结构

逻辑上是连续的，物理上不一定是连续的。

链表是一种物理存储结构上非连续存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的引用链接次序实现的 。

 实际中链表的结构非常多样，以下情况组合起来就有8种链表结构：

1. 单向或者双向

//双向有三个域        

2. 带头或者不带头

 3. 循环或者非循环

虽然有这么多的链表的结构，但是我们重点掌握两种 :

无头单向非循环链表 ： 结构简单 ，一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为 其他数据结构的子结构 ，如 哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在笔试面试 中出现很多。

无头双向链表：在Java的集合框架库中LinkedList底层实现就是无头双向循环链表。

重点

单向不带头的非循环

双向不带头的非循环

带头的不会改变头，不带头头会变

图示：

//一个节点至少有两个域

//val存放地址，next存放值

//链表相当于一个内部类 

 

 2.2 链表的实现 

// 1、无头单向非循环链表实现
public class SingleLinkedList {
    //头插法
    public void addFirst(int data){
    }
    //尾插法
    public void addLast(int data){
    }
    //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
    public void addIndex(int index,int data){
    }
    //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
    public boolean contains(int key){
        return false;
    }
    //删除第一次出现关键字为key的节点
    public void remove(int key){
    }
    //删除所有值为key的节点
    public void removeAllKey(int key){
    }
    //得到单链表的长度
    public int size(){
        return -1;
    }
    public void clear() {
    }
    public void display() {}
}

3.链表面试题

1. 删除链表中等于给定值 val 的所有节点。 203. 移除链表元素 - 力扣（Leetcode）  

2. 反转一个单链表。  206. 反转链表 - 力扣（Leetcode）

3. 给定一个带有头结点 head 的非空单链表，返回链表的中间结点。如果有两个中间结点，则返回第二个中间结点。 876. 链表的中间结点 - 力扣（Leetcode）

4. 输入一个链表，输出该链表中倒数第 k个结点。  链表中倒数第k个结点_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

5. 将两个有序链表合并为一个新的有序链表并返回。新链表是通过拼接给定的两个链表的所有节点组成的。 21. 合并两个有序链表 - 力扣（Leetcode）

6. 编写代码，以给定值 x 为基准将链表分割成两部分，所有小于 x 的结点排在大于或等于 x的结点之前 。 链表分割_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

7. 链表的回文结构。 链表的回文结构_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

8. 输入两个链表，找出它们的第一个公共结点。 160. 相交链表 - 力扣（Leetcode）

9. 给定一个链表，判断链表中是否有环。 

【思路】 快慢指针，即慢指针一次走一步，快指针一次走两步，两个指针从链表起始位置开始运行，如果链表 带环则一定会在环中相遇，否则快指针率先走到链表的末尾。比如：陪女朋友到操作跑步减肥。

【扩展问题】

为什么快指针每次走两步，慢指针走一步可以？ 假设链表带环，两个指针最后都会进入环，快指针先进环，慢指针后进环。当慢指针刚进环时，可能就和快 指针相遇了，最差情况下两个指针之间的距离刚好就是环的长度。此时，两个指针每移动一次，之间的距离 就缩小一步，不会出现每次刚好是套圈的情况，因此：在慢指针走到一圈之前，快指针肯定是可以追上慢指 针的，即相遇。

快指针一次走3步，走4步，...n步行吗？

10. 给定一个链表，返回链表开始入环的第一个节点。 如果链表无环，则返回 NULL142. 环形链表 II - 力扣（Leetcode） 

结论

让一个指针从链表起始位置开始遍历链表，同时让一个指针从判环时相遇点的位置开始绕环运行，两个指针 都是每次均走一步，最终肯定会在入口点的位置相遇。

证明

4.LinkedList的模拟实现 

// 2、无头双向链表实现
public class MyLinkedList {
    //头插法
    public void addFirst(int data){ }
    //尾插法
    public void addLast(int data){}
    //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
    public void addIndex(int index,int data){}
    //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
    public boolean contains(int key){}
    //删除第一次出现关键字为key的节点
    public void remove(int key){}
    //删除所有值为key的节点
    public void removeAllKey(int key){}
    //得到单链表的长度
    public int size(){}
    public void display(){}
    public void clear(){}
}

5.LinkedList的使用

5.1 什么是LinkedList

LinkedList (Java Platform SE 8 ) (oracle.com)

LinkedList的底层是双向链表结构(链表后面介绍)，由于链表没有将元素存储在连续的空间中，元素存储在单独的节 点中，然后通过引用将节点连接起来了，因此在在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，效率比较高。

在集合框架中，LinkedList也实现了List接口，具体如下：

【说明】

1. LinkedList 实现了 List 接口

2. LinkedList 的底层使用了双向链表

3. LinkedList 没有实现 RandomAccess 接口，因此 LinkedList 不支持随机访问

4. LinkedList 的任意位置插入和删除元素时效率比较高，时间复杂度为 O(1)

5. LinkedList 比较适合任意位置插入的场景

5.2 LinkedList的使用

1. LinkedList 的构造

方法	解释
LinkedList()	无参构造
public LinkedList(Collection c)	使用其他集合容器中元素构造List

 

public static void main(String[] args) {
// 构造一个空的LinkedList
        List list1 = new LinkedList<>();
        List list2 = new java.util.ArrayList<>();
        list2.add("JavaSE");
        list2.add("JavaWeb");
        list2.add("JavaEE");
// 使用ArrayList构造LinkedList
        List list3 = new LinkedList<>(list2);
    }

2. LinkedList的其他常用方法介绍

方法	解释
boolean add(E e)	尾插 e
void add(int index, E element)	将 e 插入到 index 位置
boolean addAll(Collection c)	尾插 c 中的元素
E remove(int index)	删除 index 位置元素
boolean remove(Object o)	删除遇到的第一个 o
E get(int index)	获取下标 index 位置元素
E set(int index, E element)	将下标 index 位置元素设置为 element
void clear()	清空
boolean contains(Object o)	判断 o 是否在线性表中
int indexOf(Object o)	返回第一个 o 所在下标
int lastIndexOf(Object o)	返回最后一个 o 的下标
List subList(int fromIndex, int toIndex)	截取部分 list

 

public static void main(String[] args) {
        LinkedList list = new LinkedList<>();
        list.add(1); // add(elem): 表示尾插
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);
        list.add(6);
        list.add(7);
        System.out.println(list.size());
        System.out.println(list);
// 在起始位置插入0
        list.add(0, 0); // add(index, elem): 在index位置插入元素elem
        System.out.println(list);
        list.remove(); // remove(): 删除第一个元素，内部调用的是removeFirst()
        list.removeFirst(); // removeFirst(): 删除第一个元素
        list.removeLast(); // removeLast(): 删除最后元素
        list.remove(1); // remove(index): 删除index位置的元素
        System.out.println(list);
// contains(elem): 检测elem元素是否存在，如果存在返回true，否则返回false
        if(!list.contains(1)){
            list.add(0, 1);
        }
        list.add(1);
        System.out.println(list);
        System.out.println(list.indexOf(1)); // indexOf(elem): 从前往后找到第一个elem的位置
        System.out.println(list.lastIndexOf(1)); // lastIndexOf(elem): 从后往前找第一个1的位置
        int elem = list.get(0); // get(index): 获取指定位置元素
        list.set(0, 100); // set(index, elem): 将index位置的元素设置为elem
        System.out.println(list);
// subList(from, to): 用list中[from, to)之间的元素构造一个新的LinkedList返回
        List copy = list.subList(0, 3);
        System.out.println(list);
        System.out.println(copy);
        list.clear(); // 将list中元素清空
        System.out.println(list.size());
        }

3. LinkedList的遍历
 

public static void main(String[] args) {
        LinkedList list = new LinkedList<>();
        list.add(1); // add(elem): 表示尾插
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);
        list.add(6);
        list.add(7);
        System.out.println(list.size());
// foreach遍历
        for (int e:list) {
            System.out.print(e + " ");
        } 
        System.out.println();
// 使用迭代器遍历---正向遍历
        ListIterator it = list.listIterator();
        while(it.hasNext()){
            System.out.print(it.next()+ " ");
        } 
        System.out.println();
// 使用反向迭代器---反向遍历
        ListIterator rit = list.listIterator(list.size());
        while (rit.hasPrevious()){
            System.out.print(rit.previous() +" ");
        } 
        System.out.println();
    }

6. ArrayList和LinkedList的区别

不同点	ArrayList	LinkedList
存储空间上	物理上一定连续	逻辑上连续，但物理上不一定连续
随机访问	支持O(1)	不支持：O(N)
头插	需要搬移元素，效率低O(N)	只需修改引用的指向，时间复杂度为O(1)
插入	空间不够时需要扩容	没有容量的概念
应用场景	元素高效存储+频繁访问	任意位置插入和删除频繁