【Java 数据结构】LinkedList与链表

1. ArrayList的缺陷

上节课已经熟悉了ArrayList的使用，并且进行了简单模拟实现。通过源码知道，ArrayList底层使用数组来存储元素：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
	implements List<E>, 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

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

1. 单向或者双向

• 带头或者不带头
  
• 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。

2.2 链表的实现

自己实现接口ILIST

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

链表实现

public class MySingleList implements IList {

    //节点的内部类
    static class ListNode {
        public int val;
        public ListNode next;

        public ListNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }


    public ListNode head;
    //public int usedSize;//可以定义

    public void createList() {
        ListNode node1 = new ListNode(12);
        ListNode node2 = new ListNode(23);
        ListNode node3 = new ListNode(34);
        ListNode node4 = new ListNode(45);
        ListNode node5 = new ListNode(56);

        node1.next = node2;
        node2.next = node3;
        node3.next = node4;
        node4.next = node5;

        this.head = node1;
    }

    @Override
    public void addFirst(int data) {
        ListNode node = new ListNode(data);
        if (this.head == null) {
            this.head = node;
        } else {
            node.next = this.head;
            this.head = node;
        }
    }

    @Override
    public void addLast(int data) {

        ListNode node = new ListNode(data);

        ListNode cur = this.head;
        if (this.head == null) {
            this.head = node;
        } else {
            //找到尾巴
            while (cur.next != null) {
                cur = cur.next;
            }
            //cur 现在指向了最后一个节点
            cur.next = node;
        }

    }

    @Override
    public void addIndex(int index, int data) {
        if (index < 0 || index > size()) {
            //抛自定义的异常
            return;
        }
        if (index == 0) {
            addFirst(data);
            return;
        }
        if (index == size()) {
            addLast(data);
            return;
        }
        ListNode cur = searchPrev(index);
        ListNode node = new ListNode(data);
        node.next = cur.next;
        cur.next = node;
    }

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

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

    @Override
    public void remove(int key) {
        if (this.head == null) {
            //一个节点都没有 无法删除！
            return;
        }
        if (this.head.val == key) {
            this.head = this.head.next;
            return;
        }
        //1. 找到前驱
        ListNode cur = findPrev(key);
        //2、判断返回值是否为空？
        if (cur == null) {
            System.out.println("没有你要删除的数字");
            return;
        }
        //3、删除
        ListNode del = cur.next;
        cur.next = del.next;


    }

    /**
     * 找到关键字key的前一个节点的地址
     *
     * @param key
     * @return
     */
    private ListNode findPrev(int key) {
        ListNode cur = this.head;
        while (cur.next != null) {
            if (cur.next.val == key) {
                return cur;
            }
            cur = cur.next;
        }
        return null;
    }

    @Override
    public void removeAllKey(int key) {
        if (this.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;
            }
        }
        if (head.val == key) {
            head = head.next;
        }
    }

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

    @Override
    public void clear() {
        ListNode cur = head;
        while (cur != null) {
            ListNode curNext = cur.next;
            //cur.val = null;
            cur.next = null;
            cur = curNext;
        }
        head = null;
    }

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


    /**
     * 这个是从指定位置开始打印
     *
     * @param newHead
     */
    public void display(ListNode newHead) {
        ListNode cur = newHead;
        while (cur != null) {
            System.out.print(cur.val + " ");
            cur = cur.next;
        }
        System.out.println();
    }
}

3. 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(){}
}

4.LinkedList的使用

4.1 什么是LinkedList

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

【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

4.2LinkedList的使用

1. LinkedList的构造
   

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

2. LinkedList的其他常用方法介绍
   
3. LinkedList的遍历

public static void main(String[] args) {
        LinkedList<Integer> 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<Integer> 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<Integer> rit = list.listIterator(list.size());
        while (rit.hasPrevious()){
            System.out.print(rit.previous() +" ");
        }
        System.out.println();
    }

5. ArrayList和LinkedList的区别