Java中的链表

---

前言

在前面我们已经学习了关于顺序表ArrayList的一些基本操作。通过源码知道，ArrayList底层使用数组来存储元素，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

---

一、链表的概念及结构

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
注意：
1.链式结构在逻辑上是连续的，但是在物理上不一定连续
2.现实中的结点一般都是从堆上申请出来的
3.从堆上申请的空间，是按照一定的策略来分配的，两次申请的空间可能是连续，也可能不连续

链表的结构有8种样式：
单向带头循坏、单向带头非循坏、单向不带头循坏、单向不带头非循坏
双向带头循坏、双向带头非循坏、双向不带头循坏、双向不带头非循坏

这里我们主要学习以下两中结构：
单向不带头非循坏

LinkedList底层使用的就是双向不带头非循坏

二、单向不带头非循坏链表的实现

2.1打印链表

不带参数的打印

public void display() {
    ListNode cur = head;
    if(cur != null) {//遍历完所以节点
        System.out.print(cur.val+" ");
        cur = cur.next;
    }
    System.out.println();
}

带参数的打印

public void display(ListNode newHead) {
    ListNode cur = newHead;
    if(cur != null) {
        System.out.print(cur.val+" ");
        cur = cur.next;
    }
    System.out.println();
}    

2.2求链表的长度

public int size(){
    ListNode cur = head;
    int count = 0;
    while (cur != null) {
        count++;
        cur = cur.next;
    }
    return count;
}    

2.3头插法

public void addFirst(int data){
    ListNode node = new ListNode(data);
    node.next = head;
    head = node;
}

2.4尾插法

public void addLast(int data){
    ListNode node = new ListNode(data);
    if(head == null) {
        head = node;
    }else {
        ListNode cur = head;
        while (cur.next != null) {//走到最后一个节点的位置
            cur = cur.next;
        }
        cur.next = node;
    }
}

2.5任意位置插入

在任意位置插入时我们要判断该位置是否合法，不合法的时候要抛一个异常

  public void addIndex(int index,int data){
      if(index < 0 || index > size()) {
          throw new IndexException("index位置不合法："+index);
      }
      ListNode node = new ListNode(data);
      if(head == null) {
          head = node;
          return;
      }
      if(index == 0) {
          addFirst(data);
          return;
      }
      if(index == size()) {
          addLast(data);
          return;
      }
      //中间插入
      ListNode cur = serchIndex(index);
      node.next = cur.next;
      cur.next = node;
}    

找要添加节点位置的前一个节点

public ListNode serchIndex(int index) {
    ListNode cur = head;
    int count = 0;
    while (count != index-1) {
        cur = cur.next;
        count++;
    }
    return cur;
}    

2.6查找是否包含某个元素的节点

遍历这个链表找是否与这个元素相同

public boolean contains(int key){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        if(cur.val == key) {
            return true;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return false;
}    

2.7删除第一次出现这个元素的节点

public void remove(int key){
    if(head == null) {
        return;
    }
    if(head.val == key) {
        head = head.next;
        return;
    }
    ListNode cur = findKey(key);
    if(cur == null) {
        return;//没有要删除的元素
    }
    ListNode del = cur.next;
    cur.next = del.next;
}    

要删除节点的前一个节点

public ListNode findKey(int key) {
    ListNode cur = head;
    while (cur.next != null) {
        if(cur.next.val == key) {
            return cur;
        }else {
            cur = cur.next;
        }
    }
    return null;
}    

2.8删除包含这个元素的所以节点

public void removeAllKey(int key){
    if(head == null) {
        return;
    }
    ListNode prev = head;
    ListNode cur = head.next;
    while (cur != null){
        if(cur.val == key) {
            prev.next = cur.next;
            cur = cur.next;
        }else {
            prev = cur;
            cur = cur.next;
        }
    }
    //除了头节点外，其余都删完了
    if(head.val == key) {
        head = head.next;
    }
}    

2.9清空链表

清空链表只需要把头节点置为空

public void clear() {
    head = null;
}    

单向链表的测试

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MySingleList list = new MySingleList();
        list.addLast(30);//尾插
        list.addLast(20);
        list.addLast(30);
        list.addLast(40);
        list.addLast(50);
        list.addFirst(100);//头插
        list.addIndex(2,15);//任意位置插入
        list.display();
        System.out.println("*****");
        System.out.println(list.contains(20));//查看是否包含某个节点
        System.out.println("*****");
        System.out.println(list.size());//求链表长度
        System.out.println("*****");
        list.remove(30);//删除第一个出现的节点
        list.display();
        list.removeAllKey(30);//删除包含这个元素的所以节点
        System.out.println("*****");
        list.display();
        System.out.println("*****");
        list.clear();//清空链表
        list.display();
    }
}

三、双向不带头非循坏链表的实现

3.1打印双向链表

public void display(){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        System.out.print(cur.val+" ");
        cur = cur.next;
    }
    System.out.println();
}    

3.2求双向链表的长度

public int size(){
    int count = 0;
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        count++;
        cur = cur.next;
    }
    return count;
}    

3.3头插法

public void addFist(int data) {
    ListNode node = new ListNode(data);
    if(head == null) {//一个节点都没有的情况
        head = node;
        last = node;
    }else {
        node.next = head;
        head.prev = node;
        head = node;
    }
}    

3.4尾插法

public void addLast(int data) {
    ListNode node = new ListNode(data);
    if(head == null) {//一个节点都没有的情况
        head = node;
        last = node;
    }else {
        last.next = node;
        node.prev = last;
        last = node;
    }
}    

3.5任意位置插入

这里的插入与单向链表一样也需要判断该位置的合法性，不合法时抛一个异常

public void addIndex(int index,int data) {
    if(index < 0 || index > size()) {
        throw new IndexException("双向链表中index的位置不合法："+index);
    }
    if(index == 0) {
        addFist(data);
    }
    if(index == size()) {
        addLast(data);
    }
    ListNode cur = findIndex(index);
    ListNode node = new ListNode(data);
    node.next = cur;
    cur.prev.next = node;
    node.prev = cur.prev;
    cur.prev = node;
}    

要添加节点的位置

public ListNode findIndex(int index) {
    ListNode cur = head;
    if(index != 0) {
        cur = cur.next;
        index --;
    }
    return cur;
}    

3.6查找是否包含某个元素的节点

public boolean contains(int key){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        if(cur.val == key) {
            return true;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return false;
}    

3.7删除第一次出现这个元素的节点

因为数据结构是一门逻辑性非常严谨的学科，所以这里的删除需要考虑多种因素

public void remove(int key){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        if(cur.val == key) {
            if(cur == head) {
                head = head.next;
                if (head != null) {
                    head.prev = null;
                }else {
                    //只有一个节点，而且是需要删除的节点
                    last = null;
                }
            }else {
                //删除中间节点
                if(cur.next != null) {
                    cur.next.prev = cur.prev;
                    cur.prev.next = cur.next;
                }else {
                    //删除尾巴节点
                    cur.prev.next = cur.next;
                    last = last.prev;
                }
            }
            return;
        }
        cur = cur.next;
    }
}    

3.7删除包含这个元素的所有节点

public void remove(int key){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        if(cur.val == key) {
            if(cur == head) {
                head = head.next;
                if (head != null) {
                    head.prev = null;
                }else {
                    //只有一个节点，而且是需要删除的节点
                    last = null;
                }
            }else {
                //删除中间节点
                if(cur.next != null) {
                    cur.next.prev = cur.prev;
                    cur.prev.next = cur.next;
                }else {
                    //删除尾巴节点
                    cur.prev.next = cur.next;
                    last = last.prev;
                }
            }
        }
        cur = cur.next;
    }
}    

3.9清空双向链表

public void clear(){
    ListNode cur = head;
    while (cur != null) {
        ListNode curNext = cur.next;
        cur.prev = null;
        cur.next = null;
        cur = cur.next;
    }
    head = null;//头节点置空
    last = null;//尾巴节点置空
}    

双向链表的测试

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();
        myLinkedList.addLast(12);//尾插法
        myLinkedList.addLast(45);
        myLinkedList.addLast(34);
        myLinkedList.addLast(45);
        myLinkedList.addFist(56);//头插法
        myLinkedList.addIndex(2,15);//任意位置插入
        myLinkedList.display();
        System.out.println(myLinkedList.size());//求双向链表的长度
        System.out.println("******");
        System.out.println(myLinkedList.contains(23));//查找是否包含某个元素的节点
        System.out.println("******");
        myLinkedList.remove(45);//删除第一次出现这个元素的节点
        myLinkedList.display();
        System.out.println("******");
        myLinkedList.removeAllKey(45);//删除包含这个元素的所以节点
        myLinkedList.display();
        System.out.println("******");
        myLinkedList.clear();//清空链表
        myLinkedList.display();
    }
}

LinkedList的遍历方式

关于LinkedList的遍历方式有四种：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        System.out.println(list);
        //for循坏遍历
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.print(list.get(i)+" ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("*******");
        //foreach遍历
        for (int m : list) {
            System.out.print(m +" ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("*******");
        //使用迭代器——正向遍历
        ListIterator<Integer> it = list.listIterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.print(it.next()+" ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("*******");
        //使用迭代器——反向遍历
        ListIterator<Integer> it2 = list.listIterator(list.size());
        while (it2.hasPrevious()) {
            System.out.print(it2.previous()+" ");
        }
        System.out.println();
    }
}    

四、ArrayList和LinkedList的区别

1.ArrayList在物理上是连续的，LinkedList在逻辑上连续，但在物理上不一定连续
2.ArrayList和LinkedList是两种不同的数据结构。ArrayList是基于动态数组的，而LinkedList则是基于链表的
3.当需要随机访问元素（如get和set操作）时，ArrayList效率更高，因为LinkedList需要逐个查找。但当进行数据的增加和删除操作（如add和remove操作）时，LinkedList效率更高，因为ArrayList在进行这些操作时需要移动大量数据
4.ArrayList需要手动设置固定大小的容量，使用方便但自由性低；而LinkedList能够随数据量变化而动态调整，自由性较高但使用较为复杂