数据结构与算法基础 - 线性表(链表)

RG
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链表

概念

链表（linked list）是一种在物理上非连续、非顺序的数据结构，由若干节点（node）所组成。

链表中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。链表由一系列结点（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。（百度百科）

常见的链表包括：单链表、双向链表、循环链表

  • 单链表
    单向链表的每一个节点又包含两部分，一部分是存放数据的变量data，另一部分是指向下一个节点的指针next

image.png

Node{
    int data;
    Node next;
}
  • 双向链表
    双向链表的每一个节点除了拥有data和next指针，还拥有指向前置节点的prev指针。

image.png

Node{
    int data;
    Node next;
    Node prev;
}
  • 循环链表
    链表的尾节点指向头节点形成一个环，称为循环链表

image.png

存储原理

数组在内存中的存储方式是顺序存储（连续存储），链表在内存中的存储方式则是随机存储（链式存储）。

链表的每一个节点分布在内存的不同位置，依靠next指针关联起来。这样可以灵活有效地利用零散的碎片空间。

image.png

链表的第1个节点被称为头节点（3），没有任何节点的next指针指向它，或者说它的前置节点为空

头结点用来记录链表的基地址。有了它，我们就可以遍历得到整条链表

链表的最后1个节点被称为尾节点（2），它指向的next为空

操作

  • 查找节点
    在查找元素时，链表只能从头节点开始向后一个一个节点逐一查找。

image.png

  • 更新节点
    找到要更新的节点，然后把旧数据替换成新数据

image.png

  • 插入节点

    尾部插入
    把最后一个节点的next指针指向新插入的节点即可

    image.png

    头部插入
    第1步，把新节点的next指针指向原先的头节点
    第2步，把新节点变为链表的头节点

    image.png

    中间插入
    第1步，新节点的next指针，指向插入位置的节点
    第2步，插入位置前置节点的next指针，指向新节点

    image.png 只要内存空间允许，能够插入链表的元素是无限的，不需要像数组那样考虑扩容的问题

  • 删除节点

    尾部删除
    把倒数第2个节点的next指针指向空即可

    image.png

    头部删除
    把链表的头节点设为原先头节点的next指针即可

    image.png

    中间删除
    把要删除节点的前置节点的next指针，指向要删除元素的下一个节点即可

    image.png

完整代码

package com.lagou.line.linkedlist;

/**
* 单链表
*/
public class SingleLinkedList {
    //初始化头节点
    private Node head = new Node(0, "");

    /**
    * 添加节点：从头插入
    *
    * @param node
    */
    public void addNode(Node node) {
        //从头插入
        Node tmp = head;
        while (true) {
            //到尾节点
            if (tmp.next == null) {
                break;
            }
            //后移一个节点
            tmp = tmp.next;
        }

        tmp.next = node;
    }

    public void addByIdOrder(Node node){
        //从头插入
        Node tmp = head;
        while (true) {
            //到尾节点
            if (tmp.next == null) {
                break;
            }
            //节点存在
            if (tmp.next.id == node.id) {
                break;
            }

            if (tmp.next.id > node.id) {
                break;
            }
            tmp = tmp.next;

        }

        //交换位置
        node.next = tmp.next;
        tmp.next = node;
    }

    //遍历链表
    public void showList() {
        //空链表
        if (head.next == null) {
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }

        Node temp = head.next;
        while (true) {
            if (temp == null) {
                return;
            }
            System.out.println(temp);
            //指针下移
            temp = temp.next;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Node n1=new Node(1,"张飞");
        Node n2=new Node(2,"关羽");
        Node n3=new Node(3,"赵云");
        Node n4=new Node(4,"黄忠");
        Node n5=new Node(5,"马超");

        SingleLinkedList sll=new SingleLinkedList();
        sll.addByIdOrder(n4);
        sll.addByIdOrder(n5);
        sll.addByIdOrder(n1);
        sll.addByIdOrder(n2);
        sll.addByIdOrder(n3);

        sll.showList();

    }

}

package com.lagou.line.linkedlist;

/**
* 节点
*/
public class Node {

    int id;

    String name;

    //下一个节点
    Node next;

    public Node(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

package com.lagou.line.linkedlist;

/**
* 节点
*/
public class Node2 {

    int id;

    String name;

    //下一个节点
    Node2 next;

    //上一个节点
    Node2 prev;

    public Node2(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

时间复杂度

查找节点：O(n)
插入节点：O(1)
更新节点：O(1)
删除节点：O(1)

优缺点

  • 优势
    插入、删除、更新效率高
    省空间

  • 劣势
    查询效率较低，不能随机访问

应用

链表的应用也非常广泛，比如树、图、Redis的列表、LRU算法实现、消息队列等

数组与链表的对比

数据结构没有绝对的好与坏，数组和链表各有千秋。

image.png 数组的优势在于能够快速定位元素，对于读操作多、写操作少的场景来说，用数组更合适一些

链表的优势在于能够灵活地进行插入和删除操作，如果需要在尾部频繁插入、删除元素，用链表更合适一些

数组和链表是线性数据存储的物理存储结构：即顺序存储和链式存储。

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