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。
链表是一种常见的数据结构,它由一系列节点组成,每个节点包含两部分:数据元素 (value) 和指向下一个节点的指针 ( next 域 )。通过这些节点的连接,可以形成一个链式结构。
【单个节点】:
节点(Node):链表的基本单元,包含数据域和next指针域。数据域可以是任意类型的数据,指针指向下一个节点。每个节点都是一个对象。
结论: 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 。
1、单向或者双向
根据节点的指针数量,链表可以分为单向链表和双向链表。
单向链表每个节点只有一个指针,指向下一个节点;
双向链表每个节点有两个指针,分别指向前一个节点和后一个节点。
2、带头或者不带头
带头节点的链表在第一个节点之前有一个额外的头节点,用于标识链表的起始位置。(head的value是无意义的,如果想从最开头插入数据时,head是不可变的,从head后面插入)
不带头节点的链表则直接以第一个节点作为链表的起始位置。(head是第一个节点,有value的,如果想从最开头插入数据时,head是可变的,变成新插入的节点)
3、是否循环:
循环链表是在链表的尾部节点和头部节点之间形成一个循环连接,使得链表的最后一个节点指向头部节点。
结合上述结构可以组合出8中链表种类:
单向、带头节点、非循环链表
单向、带头节点、循环链表
单向、不带头节点、非循环链表(重点)
单向、不带头节点、循环链表
双向、不带头节点、非循环链表(重点)
双向、不带头节点、循环链表
双向、带头节点、非循环链表
双向、带头节点、循环链表
//静态内部类定义节点
public static class ListNode {
public int data;//数据域
public ListNode next;//指向下一个节点
public ListNode(int data) {
this.data = data;
}
}
public ListNode head; // 表示当前链表的头节点 方便找到链表的第一个元素
public void createLinkedList() {
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);
//把链表的节点连起来
node1.next = node2;
node2.next = node3;
node3.next = node4;
node4.next = node5;
//使用head节点来记录链表的入口
this.head = node1;
}
使用debug,发现所有节点链接起来了
之后,可以使用head节点,获取所有的节点
(1) 怎么从一个节点走向下一个节点
移动head,走向下一个节点,使用head = head.next;就可以实现
(2)怎么判断所有节点都遍历完
当head指向null时,则所有节点遍历完毕
public void display() {
ListNode cur = this.head;//防止其他方法无法使用head,无法找到链表的第一个元素,使用临时变量cur
while (cur != null) {//当cur指向null时,则所有节点遍历完,循环结束
System.out.print(cur.value + " ");
cur = cur.next;//不断移动cur指向下一个节点
}
System.out.println();
}
头插法插入数据分为三步:
(1)实例化一个节点
(2)改变插入结点的next指向原来链表的第一个节点
(3)改变head指向新节点
@Override
public void addFirst(int data) {
ListNode listNode = new ListNode(data);
if (this.head == null) {
this.head = listNode;
} else {
listNode.next = this.head;
this.head = listNode;
}
}
尾插法添加数据分为二步:
(1)实例化一个节点
(2)找到最后一个节点
(3)将链表的原来的最后一个节点指向新的节点
public void addLast(int data) {
ListNode listNode = new ListNode(data);
if (this.head == null) {
this.head = listNode;
} else {
ListNode cur = this.head;
while (cur.next != null) {
cur = cur.next;
}
cur.next = listNode;
}
}
【小总结】:
5.任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
在链表随意位置插入数据分为四步:
(1)找到该节点要插入位置的前一个节点cur(前一个节点的原因,可以由前一个节点得到后一个节点,无法无法从后一个节点得到前一个结点),让cur走index-1步。
(2)实例化一个节点
(3)让新插入的节点的next指向要插入位置的节点,listNode.next = cur.next;
(4)让要插入位置的前一个节点cur的next指向新节点,cur.next = listNode;
注意:(3)和(4)的顺序要正确,再插入一个节点时,一定要先绑定后面这个节点
public void addIndex(int index, int data) {
if(index<0||index>size()){//要先判断index的合法性
throw new IndexOutOfBounds("链表下标越界");//自定义异常链表下标越界
}
if(index == 0){//在第一个位置插入,使用头插法的方法
addFirst(data);
}else if(index == size()){//在最后一个位置插入,使用尾插法的方法
addLast(data);
}else {//在中间位置插入
ListNode listNode = new ListNode(data);//要插入的节点
ListNode cur = searchPrev(index);//要插入位置的前一个节点
listNode.next = cur.next;
cur.next = listNode;
}
}
private ListNode searchPrev(int index){
ListNode cur = this.head;
int count = 0;
while (count != index -1){
cur = cur.next;
count++;
}
return cur;
}
public void remove(int key) {
//当要删除的数据是第一个节点
if (this.head.value == key) {
this.head = this.head.next;
} else {
//找到前驱
ListNode cur = getPrev(key);
//判断前驱是否存在
if (cur == null) {
System.out.println("要删除的数字不存在");
} else {
//删除节点
ListNode del = cur.next;
cur.next = del.next;
}
}
}
private ListNode getPrev(int key) {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
if (cur.next.value == key) {
return cur;
}
cur = cur.next;
}
return null;
}
删除所有值为key的节点分为三步:
(1)遍历链表,找到要删除节点cur
(2) 让cur的上一个节点指向cur的下一个节点,删除cur
(3)继续遍历链表,找到所有与key相等的节点,重复(1)(2)步骤,直至遍历完链表
还有要考虑一种情况,当要删除的数据是第一个节点时,只需要让head指向第二个节点即可做到删除第一个节点
public void removeAllKey(int key) {
if(this.head == null){
return;
}
ListNode prev = this.head;
ListNode cur = this.head.next;
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
prev.next = cur.next;
cur = cur.next;
} else {
prev = cur;
cur = cur.next;
}
}
if (this.head.value == key) {
this.head = this.head.next;
return;
}
}
清空链表分为两种方式:
方式一:直接将head置为null(不推荐)
方式二:遍历节点,将每个节点的数值域和next域置为空
public void clear() {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
ListNode curNext = cur.next;
// cur.value = null;// 引用类型value要置为null
cur.next = null;
cur = curNext;
}
this.head = null;
}
完整代码:
ILst接口:
public interface IList {
//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 clear();
public void display();
}
自定义异常IndexOutOfBounds类
public class IndexOutOfBounds extends RuntimeException{
public IndexOutOfBounds(String message) {
super(message);
}
}
MyLinkedList类:
public class MyLinkedList implements IList {
//静态内部类
public static class ListNode {
public int value;
public ListNode next;
public ListNode(int value) {
this.value = value;
}
}
public ListNode head; //方便找到链表的第一个元素
public void createLinkedList() {
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);
//把表节点连起来
node1.next = node2;
node2.next = node3;
node3.next = node4;
node4.next = node5;
//使用head节点来记录链表的入口
this.head = node1;
}
//头插法
@Override
public void addFirst(int data) {
ListNode listNode = new ListNode(data);
if (this.head == null) {
this.head = listNode;
} else {
listNode.next = this.head;
this.head = listNode;
}
}
//尾插法
@Override
public void addLast(int data) {
ListNode listNode = new ListNode(data);
if (this.head == null) {
this.head = listNode;
} else {
ListNode cur = this.head;
while (cur.next != null) {
cur = cur.next;
}
cur.next = listNode;
}
}
@Override
public void addIndex(int index, int data) {
if (index < 0 || index > size()) {//要先判断index的合法性
throw new IndexOutOfBounds("链表下标越界");//自定义异常链表下标越界
}
if (index == 0) {//在第一个位置插入,使用头插法的方法
addFirst(data);
} else if (index == size()) {//在最后一个位置插入,使用尾插法的方法
addLast(data);
} else {//在中间位置插入
ListNode listNode = new ListNode(data);//要插入的节点
ListNode cur = searchPrev(index);//要插入位置的前一个节点
listNode.next = cur.next;
cur.next = listNode;
}
}
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.value == key) {
return true;
}
cur = cur.next;
}
return false;
}
@Override
public void remove(int key) {
if (this.head.value == key) {
this.head = this.head.next;
} else {
ListNode cur = getPrev(key);
if (cur == null) {
System.out.println("要删除的数字不存在");
} else {
ListNode del = cur.next;
cur.next = del.next;
}
}
}
private ListNode getPrev(int key) {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
if (cur.next.value == key) {
return cur;
}
cur = cur.next;
}
return null;
}
@Override
public void removeAllKey(int key) {
if (this.head == null) {
return;
}
ListNode prev = this.head;
ListNode cur = this.head.next;
while (cur != null) {
if (cur.value == key) {
prev.next = cur.next;
cur = cur.next;
} else {
prev = cur;
cur = cur.next;
}
}
if (this.head.value == key) {
this.head = this.head.next;
return;
}
}
@Override
public int size() {
int count = 0;
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
cur = cur.next;
count++;
}
return count;
}
@Override
public void clear() {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
ListNode curNext = cur.next;
// cur.value = null;
cur.next = null;
cur = curNext;
}
this.head = null;
}
@Override
public void display() {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
System.out.print(cur.value + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
}
static class ListNode {
public int val;//数值域
public ListNode next;//指针域,指向下一个节点
public ListNode prev;//指针域,指向前一个节点
public ListNode(int val) {
this.val = val;
}
}
2. 头插法
第一步:让新插入的next 指向head节点
第二步:让head节点的prev指向新插入的节点
第三步:让head指向新插入的节点
public void addFirst(int data) {
ListNode node = new ListNode(data);
if(head == null){
head = node;
last = node;
}else {
node.next = head;
head.prev = node;
head = node;
}
}
public void addLast(int data) {
ListNode node = new ListNode(data);
if (head == null) {
head = node;
last = node;
} else {
last.next = node;
node.prev = last;
last = node;
}
}
public void addIndex(int index, int data) {
int len = size();
//index小于0,或者大于链表的长度,插入位置不合法
if (index < 0 || index > len) {
throw new IndexOutOfBounds("要插入的位置小于0或者超过链表的长度,该位置不合法");
}
//如果在第一个节点插入,使用头插法
if (index == 0) {
addFirst(data);
return;
}
//如果在最后一个节点插入,使用尾插法
if (index == len) {
addLast(data);
return;
}
//中间位置
//获取要插入的位置的节点
ListNode cur = getNode(index);
//新插入的节点
ListNode node = new ListNode(data);
//在中间位置插入节点元素
ListNode prev = cur.prev;
prev.next = node;
node.next = cur;
node.prev = prev;
cur.prev = node;
}
public ListNode getNode(int index) {
ListNode cur = this.head;
while (index != 0) {
index--;
cur = cur.next;
}
return cur;
}
5.删除指定节点
总共分为三种情况,分别如下:
特殊情况:还需要考虑一种特殊情况,当量表中只存在一个节点,并且该结点时需要删除的节点的情况
public void remove(int key) {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
//判断是否找到目标节点
if(cur.val == key) {
//要删除的节点是头节点的情况
if(cur == head) {
head = head.next;
//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表,last需要置为null
if(head == null) {
last = null;
}else {
//链表中不止一个节点,需要将头节点的prev置为null
head.prev = null;
}
return;
}
//要删除的节点是尾节点的情况
if(cur == last) {
cur.prev.next = cur.next;
last = last.prev;
return;
}
//要删除的节点是中间的节点的情况
cur.prev.next = cur.next;
cur.next.prev = cur.prev;
return;
}else {
cur = cur.next;
}
}
System.out.println("该节点不存在");
}
head=null;
last=null;
方式二:
1.使用cur局部变量,遍历链表,将每一个节点都置为null
2.将头节点和尾节点置为空
public void clear() {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
ListNode curNext = cur.next;
//如果是引用类型,还需要将数值域置为空
// cur.val = null;
cur.prev = null;
cur.next = null;
cur = curNext;
}
head = null;
last = null;
}
【完整代码】:
双向、不带头节点、非循环链表的实现:LinkedList .class
public class LinkedList2 implements IList {
static class ListNode {
public int val;//数值域
public ListNode next;//指针域,指向下一个节点
public ListNode prev;//指针域,指向前一个节点
public ListNode(int val) {
this.val = val;
}
}
public ListNode head;
public ListNode last;
@Override
public void addFirst(int data) {
ListNode node = new ListNode(data);
if (head == null) {
head = node;
last = node;
} else {
node.next = head;
head.prev = node;
head = node;
}
}
@Override
public void addLast(int data) {
ListNode node = new ListNode(data);
if (head == null) {
head = node;
last = node;
} else {
last.next = node;
node.prev = last;
last = node;
}
}
@Override
public void addIndex(int index, int data) {
int len = size();
//index小于0,或者大于链表的长度,插入位置不合法
if (index < 0 || index > len) {
throw new IndexOutOfBounds("要插入的位置小于0或者超过链表的长度,该位置不合法");
}
//如果在第一个节点插入,使用头插法
if (index == 0) {
addFirst(data);
return;
}
//如果在最后一个节点插入,使用尾插法
if (index == len) {
addLast(data);
return;
}
//中间位置
//获取要插入的位置的节点
ListNode cur = getNode(index);
//新插入的节点
ListNode node = new ListNode(data);
//在中间位置插入节点元素
ListNode curPrev = cur.prev;
curPrev.next = node;
node.next = cur;
node.prev = curPrev;
cur.prev = node;
}
public ListNode getNode(int index) {
ListNode cur = this.head;
while (index != 0) {
index--;
cur = cur.next;
}
return cur;
}
@Override
public boolean contains(int key) {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
if (cur.val == key) {
return true;
}
cur = cur.next;
}
return false;
}
@Override
public void remove(int key) {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
//判断是否找到目标节点
if (cur.val == key) {
//要删除的节点是头节点的情况
if (cur == head) {
head = head.next;
//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表,last需要置为null
if (head == null) {
last = null;
} else {
//链表中不止一个节点,需要将头节点的prev置为null
head.prev = null;
}
} else if (cur == last) {
//要删除的节点是尾节点的情况
cur.prev.next = cur.next;
last = last.prev;
} else {
//要删除的节点是中间的节点的情况
cur.prev.next = cur.next;
cur.next.prev = cur.prev;
}
return;
} else {
cur = cur.next;
}
}
System.out.println("该节点不存在");
}
@Override
public void removeAllKey(int key) {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
//判断是否找到目标节点
if (cur.val == key) {
//要删除的节点是头节点的情况
if (cur == head) {
head = head.next;
//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表,last需要置为null
if (head == null) {
last = null;
} else {
//链表中不止一个节点,需要将头节点的prev置为null
head.prev = null;
}
} else if (cur == last) {
//要删除的节点是尾节点的情况
cur.prev.next = cur.next;
last = last.prev;
} else {
//要删除的节点是中间的节点的情况
cur.prev.next = cur.next;
cur.next.prev = cur.prev;
}
cur = cur.next;
}
System.out.println("该节点不存在");
}
}
@Override
public int size() {
int count = 0;
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
cur = cur.next;
count++;
}
return count;
}
@Override
public void clear() {
ListNode cur = this.head;
while (cur != null) {
ListNode curNext = cur.next;
// cur.val = null;
cur.prev = null;
cur.next = null;
cur = curNext;
}
head = null;
last = null;
}
@Override
public void display() {
ListNode cur = head;
while (cur != null) {
System.out.print(cur.val + " ");
cur = cur.next;
}
System.out.println();
}
}
LinkedList 的官方文档
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
方法 | 解释 |
---|---|
LinkedList() | 无参构造 |
public LinkedList(Collection extends E> 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<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);
}
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 extends E> 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<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());
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<Integer> 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());
}
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());
//方式一: foreach遍历
for (int e:list) {
System.out.print(e + " ");
}
System.out.println();
//方式二:for循环
for (int i = 0;i < list.size();i++) {
System.out.print(list.get(i) + " ");
}
System.out.println();
//方式三:迭代器
// 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();
}
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 |
- 如果是经常根据下标进行查找使用顺序表(ArrayList)
- 如果是经常插入和删除操作的可以使用链表(LinkedList)