【数据结构】单向链表的模拟实现

目录

1、ArrayList存在的缺陷

2、链表

2.1、链表的分类

2.1.1、单向带头非循环

 2.1.2、单项不带头非循环

3、链表的模拟实现

3.1、定义类（MySingleList）

3.2、了解每个结点是如何串起来的

3.3、遍历输出链表

3.4、查找关键字key是否在单链表当中 

3.5、计算链表的长度

3.6、头插法

3.7、尾插法

3.8、任意位置插入元素 

3.9、删除第一次出现关键字为key的结点

3.10、删除所有key的节点

3.11、回收链表的每一个节点

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1、ArrayList存在的缺陷

在顺序表的博客中写道了，ArrayList任意位置插入或者删除元素时，就需要将后续元素整体往前后者往后移动，时间复杂度为O(N)、效率比较低，因此ArrayList不适合做任意位置的插入和删除比较多的场景。这一问题Java集合当中引入了LinkedList，即链表结构来解决这个问题。

2、链表

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。

2.1、链表的分类

链表至少有8中分类

单向带头循环、单项带头非循环、单项不带头循环、单项不带头非循环、双向带头循环、双向带头非循环、双向不带头循环、双向不带头非循环。

我们主要学习：单项不带头非循环和双向不带头非循环。

这篇博客主要学习的是单向的链表

2.1.1、单向带头非循环

 2.1.2、单项不带头非循环

❗❗❗ 总结：

• 链表的物理存储结构上不一定是连续，但是在逻辑上是连续的。
• 链表有两个域，数据域和指针域，两者组成一个模块，称为结点。

• 链表通过结点的指针域将结点链接在一起，形成链表。

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3、链表的模拟实现

3.1、定义类（MySingleList）

定义一个MySingleList类，在其内部实现一个类Node（内部类）。内部类在这里的作用是，链表当中的结点，链表当中有结点，也有head头节点。

public class MySingleList {//链表
    //定义一个内部类
    class Node{//结点
        public int val;//存储数据
        public Node next;//存储下一个节点的地址

        public Node(int val) {
            this.val  = val;//这里给next定义参数，因为在定义一个新的结点的时候，我们不知道下一个节点的地址是什么。
        }
    }
        public Node head;//代表当前链表的头节点的引用，head头节点，他还是结点，所以还是用Node作为类型

}

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3.2、了解每个结点是如何串起来的

来开一个方法

  public void createLink(){
        Node node1 = new Node(12);
        Node node2 = new Node(45);
        Node node3 = new Node(23);
        Node node4 = new Node(90);//初始化结点，并给每个节点的val域赋值。
        node1.next = node2;//将后一个结点的地址，赋值给前一个结点的next域
        node2.next = node3;
        node3.next = node4;
        head = node1;//将node1传给head，那么node1为链表的头节点
        //这里加一个头节点的一个作用是，遍历的链表的时候可以通过head来遍历。
    }

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3.3、遍历输出链表

❓❓❓这里有一个疑问，遍历链表，通过头节点遍历，那么头节点如何向后移动？？？

✨也很简单，通过head = head.next;这句代码就可以实现，head头节点的后移。

  public void display(){
        while (head!=null){
            System.out.print(head.val+" ");
            head = head.next;//通过这句代码实现了，head的后移，也就实现了遍历链表
        }
        System.out.println();//换行
  }

在个方法中，while循环当中的判断条件，很多人会写成 head.next != null; 这样写会导致单向的非循环链表的最后一个结点，数字不能输出。

❗❗❗ 总结：

• 如果要遍历完链表的每个元素，那么判断时就需要使用head != null;
• 如果要遍历到链表的最后一个元素，那么判断时就需要使用head.next != null;

❓❓❓ 但是上述代码还有一个问题，就是在你打印完一遍链表之后，想要打印第二遍的时候，第二遍没有结果。

 那么这个问题要如何解决。

我们可以不让head在遍历的时候跑，我们可以定义一个变量，来实现代跑，这样就解决了这个问题，在第二次遍历的时候，可以回到链表的头节点。

    public void display(){
        Node cur = head;//将head的值传给cur,让cur代替head来实现代跑，那么每次遍历完链表后，下次遍历可以回到开头
        while (cur!=null){
            System.out.print(cur.val+" ");
            cur = cur.next;
        }
        System.out.println();//换行
    }

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3.4、查找关键字key是否在单链表当中 

    public boolean contains(int key){
        Node cur = head;//通过cur带跑，遍历链表
        while(cur != null){//结束条件，当将链表每个元素都便利完成，代码结束
            if(cur.val == key){//判断cur结点的数据是否和查找的相同。
             //当在比较的时候，是引用类型的时候，我们使用equals方法进行比较，时基本数据类型的时候，我们可以使用==进行比较。
                return true;
            }
            cur = cur.next;//不同继续向后序结点遍历
        }
        return false;//遍历完成之后没有该关键字，返回false.
    }
}

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3.5、计算链表的长度

有两种方法

• 第一种：我们可以在定义类的时候，定义一个属性size，用来记录节点的个数，新增一个结点++，删除一个结点--。这种方法的时间复杂度时O(1);
• 第二种：写个计数方法，来计算节点的个数，也就是计算链表的长度。这种方法的时间复杂度为O(n);

    public int size(){
        int count = 0;//定义count用来计数
        Node cur = head;
        while (cur != null){
            count++;
            cur = cur.next;
        }
        return count;
    }

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3.6、头插法

✨头插法的思路：

• 要插入结点，首先得有结点。通过实例化，创建节点。
• 在进行插入。
• 修改头节点。

public void addFirst(int data){
        Node node = new Node(data);//实例化结点
//这两句代码的循序不能颠倒。
        node.next = head;
        head = node;
}

 画图解释

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3.7、尾插法

✨尾插法的思路：

• 首先要有一个结点，通过实例化来得到。
• 再判断链表是否为空，为空则让头节点直接等于新增结点。
• 若不为空，找到当前链表的最后一个结点。
• 再修改原本链表的最后一个结点的next域，将新节点的地址传给最后一个结点的next域。

 public void addLast(int data){
        Node node = new Node(data);
        if(head == null){//判断链表是否为空，若为空，插入时，直接让其等于新增的结点
            head = node;//若不判断，那么当链表为空时，再进行while循环的时候，进行的判断会报空指针异常。
            return;
        }
        Node cur = head;
        while(cur.next != null){
            cur = cur.next;
        }
        cur.next = node;
    }
}

✨ 测试尾插法：

1、链表不为空的情况

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MySingleList mySingleList = new MySingleList();
        mySingleList.createLink();
        mySingleList.addLast(10);
        mySingleList.addLast(20);
        mySingleList.addLast(30);
        mySingleList.display();
    }
}

 2、链表为空的情况

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MySingleList mySingleList = new MySingleList();
        System.out.println("=====测试尾插======");
        mySingleList.addLast(10);
        mySingleList.addLast(20);
        mySingleList.addLast(30);
        mySingleList.display();
    }
}

❗❗❗ 总结：尾插法的时间复杂度是O(n)，因为他有找尾巴的过程。

链表的插入只是修改指向。

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3.8、任意位置插入元素 

✨思路：

• 首先判断要插入的位置（index），是否合法，若如何法，报异常。
• 再判断要插入的结点，是否在链表的开头或者结尾，若是，将调用头插法和尾插法
• 再找到要插入位置的前一个位置。
• 再将新的结点插入。

 public void addIndex(int index,int data){
        checkIndex(index);//在插入之前先判断，index是否合法
        if(index == 0){//如果在链表的开头插入
            addFirst(data);//调用头插法
            return;
        }
        if(index == size()){//如果在链表的结尾插入
            addLast(data);//调用尾插法
            return;
        }
        Node cur = findIndexSubOne(index);//调用findIndexSubOne方法，找到index-1位置
        Node node = new Node(data);
        //将结点插入链表之后，先要和插入结点的后一个结点建立联系。
        node.next = cur.next;//这里的cur.next域node.next表示的都是cur的地址域
        cur.next = node;

    }
    /*
    * 找到index-1位置的结点的地址
    * */
    private Node findIndexSubOne(int index){
        Node cur = head;
        int count = 0;
        while(count != index -1){//判断是否为index前一个位置的结点
            cur = cur.next;//不是，向后移动，找index位置的前一个位置的结点
            count++;
        }
        return cur;
    }
//判断index位置是否合法
    private void checkIndex(int index){
        if(index < 0 || index > size()){
            throw new IndexOutOfException("Index位置不合法");
        }
    }

/*
*异常类
*/
public class IndexOutOfException extends RuntimeException{
    public IndexOutOfException(){
    }
    public IndexOutOfException(String message){
        super(message);
    }
}

画图理解

 ✨测试插入方法

 可以在Test类当中通过try...catch来解决这个问题

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MySingleList mySingleList = new MySingleList();
        System.out.println("===测试插入===");
        mySingleList.addLast(1);
        mySingleList.addLast(2);
        mySingleList.addLast(3);
        mySingleList.addLast(4);
        try{
            mySingleList.addIndex(12,99);
        }catch(IndexOutOfException e){
            e.printStackTrace();
        }
        mySingleList.display();

 try...catch部分的内容不会输出，也不会影响其他内容的输出

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3.9、删除第一次出现关键字为key的结点

✨思路：

• 判断当要删除的节点是链表的第一个节点，将头节点向后移，删除第一个节点。
• 要删除的节点不是第一个节点，那么通过searchPrev方法查找key的前一个结点。
• 在将要删除的数字所对应的结点删除。

   /*
    * 删除第一次出现关键字为key的节点
    * */
    public void remove(int key){
        if(head.val == key){
            head = head.next;
            return;
        }
        Node cur = searchPrev(key);//通过这个找key数据所对应的结点的前驱
        if(cur == null){//这里的判断，表示没有要删除的节点
            return;
        }
        Node del = cur.next;//记录要删除的节点
        cur.next = del.next;
    }
    /*
    * 找到关键字的前一个结点
    * */
    private Node searchPrev(int key){
        if(head == null){//这个判断是必要的，没有这个判断，在进行下面的操作时，会报空指针异常
            return null;//说明链表当中一个节点都没有
        }
        Node cur = head;
        while(cur.next != null){//当cur.next等于null时，说明这个链表当中没有要找的关键字
            if(cur.next.val == key){//cur将来是key的前驱节点。
                return cur;
            }
            cur = cur.next;
        }
        return null;//代表没有你要删除的节点
    }

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3.10、删除所有key的节点

✨主要思路：

• 将cur节点当作要删除的节点，prev节点为要删除的前一个节点。
• 当链表不为空链表时，节点删除的时候有两种情况，为cur节点的值等于key;cur节点的值不等于key.
• 当第一个cur节点的值等于key时，让cur节点的前一个结点prev的地址域，等于cur节点的地址域，让prev节点指向cur节点的后一个节点。
• 删除一个key值对应的cur节点后，cur向后移动，查找链表当中是否还有key值对应的cur节点。
• 当第一个cur节点的值不等于key时，那么就需要cur向后移动，继续寻找。所以他的操作为，将先将prev节点挪到cur节点的位置，cur节点向后移动。

画图理解：

以删除12为例，

cur节点：代表要删除的节点

    /*
    * 删除所有值为key的节点
    * */
    public void removeAllKey(int key){
        if(head == null){//若链表为空直接返回
            return;
        }
//        while(head.val == key){//头节点的数值与key相等时
//            head = head.next;//头节点向后移动，直接删除第一个节点
//        }
        Node prev = head;
        Node cur = head.next;//这句代码可以表明，删除元素是从链表的第二个节点开始
        while(cur != null){//将所有节点都查找完，也没有和key值相等的节点，循环结束
            if(cur.val == key){//如果key等于cur节点的值，进入删除cur节点
                prev.next = cur.next;
                cur = cur.next;
            }else{//如果key不等于cur节点的值，将prev和cur节点整体后移
                prev = cur;
                cur = cur.next;
            }
//这里写一个if判断的作用是，上面的删除操作只是从链表的第二个节点开始，所以这里需要判断链表的头节点，是否和key相等
            if(head.val == key){
                head = head.next;
            }
        }
    }

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3.11、回收链表的每一个节点

这里将head置为null，表示head引用不再引用这个链表的第一个结点。链表当中的节点在没有被引用时，会被回收。这样就起到了清空链表的作用。

   /*
    * 保证链表当中的所有节点都可以被回收
    * */
    public void clear(){
        head = null;//会将链表的每个节点都置为空
    }