1、什么是链表
相对比数组，链表是一种稍微复杂一点的数据结构，其学习成本也要比数组要高一些。数组和链表是两个非常基础，且非常常用的数据结构。而链表的结构也是五花八门的，本篇文章主要介绍：单链表、双向链表和循环链表。
2、链表和数组的区别
从图中可以发现，数组需要一块连续的内存空间来存储，对内存的要求比较高。如果我们申请一个100MB大小的数组，当内存中没有连续的、足够大的内存空间时，即便内存的剩余总可用空间大于100MB，仍然会申请失败。
对于链表来说，恰恰相反，它不需要连续的内存空间，它通过指针（Java里叫引用）将一组零散的内存空间串联起来使用，所以当我们申请100MB大小的链表，根本不会有问题。
与数组一样，链表也支持数据的查找、插入和删除操作。
3、几种常用的链表
3.1、单链表
链表是通过指针将一组零散的内存块串联在一起，其中，我们把内存块称为链表的结点。为了将所有的结点串起来，每个链表的结点除了存储数据之外，还需要记录链上的下一个结点的地址。如图所示，我们把记录下一个结点的指针叫作后继指针next。
一个链表中有两个比较特殊的结点，他们分别是第一结点（头结点） 和最后一个结点（尾结点）。其中，头结点用来记录链表的的基地址，有了它，我们就可以遍历得到整条链表了。而尾结点的特殊地方是，指针不是指向下一个结点，而是指向一个空地址
Null，表示这是链表上最右一个结点。
在进行数组的插入和删除操作时，为了保持内存数据的连续性，需要做大量的数据搬移，所以时间复杂度是O(n)。而在链表中插入或删除一个数据，我们并不需要为了保持内存的连续性而搬移结点，因为链表的存储空间本身就不是连续的。所以，在链表中插入和删除一个数据是非常快的。
在链表的插入和删除操作的过程，我们只需要考虑相邻结点的指针改变，所以对应的时间复杂度是
O(1)。
但是，链表要随机访问第k个元素，就没有数组那么高效了。因为链表的数据结构并非连续存储的，所以无法像数组那样，根据首地址和下标，通过寻址公式就能直接计算出对应的内存地址，而是需要根据指针一个结点一个结点地依次遍历，直到找到对应的结点。链表的随机访问性能没有数组好，需要O(n)的时间复杂度。
3.2、循环链表
循环链表是一种特殊的单链表，它跟单链表唯一的区别就在尾结点。我们知道单链表的尾结点指向空地址，表示这就是最后一个结点了。而循环链表的尾结点指针是指向链表的头结点。如下图所示，它像是一个环一样选一样首尾相连，所以叫做循环链表
和单链表相比，循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。当有处理的数据具有环型结构特点时，就特别适合采用循环链表。
3.3、双向链表
单向链表只有一个方向，结点只有一个后继指针next指向后面的结点。而双向链表，顾名思义，它支持两个方向，每个结点不止一个后继指针next 指向后面的结点，还有一个前驱指针prev 指向前面的结点。
从图中可以发现，双向链表需要额外的两个空间来存储后继结点和前驱结点的地址。所以，如果存储同样多的数据，双向链表要比单链表占用更多的内存空间。虽然两个指针比较浪费存储空间，但可以支撑双向遍历，这样也带来了双向链表操作的灵活性。
从结构上看，双向链表可以支持O(1)时间复杂度的情况下找到前驱结点，正是这样的特点，也使双向链表在某些情况下的插入、删除等操作都要比单链表简单、高效。
3.3.1、删除操作
实际软件开发中，从链表中删除一个数据无外乎两种情况
- 删除值等于某个给定值的结点
- 删除给定指针指向的结点
第一种情况，不管是单链表还是双向链表，为了查找到等于给定值的结点，都需要从头结点开始依次遍历对比，直到找到值等于给定值的结点，然后通过前面说的指针操作将其删除。
尽管单纯的删除操作时间复杂度是O(1)，但遍历查找时间复杂度是主要的耗时点，对应的时间复杂度为O(n)。根据时间复杂度分析法中的加法法则，第一种情况操作的时间复杂度是O(n)。
第二种情况，我们已经找到了要删除的结点q。但删除结点q时，需要知道其前驱结点，而单链表并不支持直接获取前驱结点，所以为了找到前驱结点，我们还是需要从头结点开始遍历链表，直到p.next = q，说明p是q的前驱结点。
因为双向链表中的结点已经保存了前驱结点的指针，就不需要像单链表那样遍历。所以，针对第二种情况，单链表删除操作需要O(n)的时间复杂度，而双向链表只需要在O(1)的时间复杂度内就可以搞定了。
3.3.2、插入操作
实际软件开发中，在链表中插入一个结点一般有下面两种情况
- 在某个指定结点后插入一个结点
- 在某个指定结点前插入一个结点
插入操作的分析同删除操作类似，我们可以得出
第一种情况，单链表和双向链表的操作时间复杂度都是O(1)
第一种情况，单链表的操作时间复杂度都是O(n)，和双向链表的操作时间复杂度都是O(1)
实际上，这里应用的是用空间换时间的设计思想。
3.3.3、双向循环链表
双向循环链表的结构如下
4、链表和数组的性能对比
时间复杂度分析，如下：
| 数组 | 链表 | |
|---|---|---|
| 插入 | O(n) | O(1) |
| 删除 | O(n) | O(1) |
| 随机访问 | O(1) | O(n) |
数组简单易用，在实现上使用的是连续的内存空间，可以借助CPU的缓存机制，预读数组中的数据，所以访问效率更高。而链表在内存中并不是连续存储，所以对CPU缓存不友好，没办法有效预读。
数组的缺点是大小固定，已经声明就要占用整块连续内存空间。如果声明的数组过大，系统可能没有足够的连续内存空间分配给它，导致内存不足out of memory。如果声明的数组过小，则可能出现不够用的情况。这时只能再申请一个更大的内存空间，把原数组拷贝进去，这个过程非常耗时。链表本身没有大小限制，天然地支持动态扩容，这也是它与数组最大的区别。
但是，对链表频繁的插入、删除操作，会导致频繁的内存申请和释放，容易生成过多的内存碎片，如果是 Java 语言，就有可能会导致频繁的 GC（Garbage Collection，垃圾回收）。
5、小结
链表跟数组一样，是非常基础、非常常用的数据结构，与数组相比，链表的数据结构更为复杂。本文介绍了单向链表、双向链表、循环链表和双向循环链表。
操作上的区别，链表更适合插入、删除操作频繁的场景，查询的时间复杂度较高 Olg(N)。
