关于链表，你该了解这些！

关于链表，你该了解这些！

什么是链表，链表是一种通过指针串联在一起的线性结构，每一个节点由两部分组成，一个是数据域一个是指针域（存放指向下一个节点的指针），最后一个节点的指针域指向null（空指针的意思）。

链表的入口节点称为链表的头结点也就是head。

如图所示：

链表的类型

接下来说一下链表的几种类型:

单链表

刚刚说的就是单链表。

双链表

单链表中的指针域只能指向节点的下一个节点。

双链表：每一个节点有两个指针域，一个指向下一个节点，一个指向上一个节点。

双链表 既可以向前查询也可以向后查询。

如图所示：

循环链表

循环链表，顾名思义，就是链表首尾相连。

循环链表可以用来解决约瑟夫环问题。

链表的存储方式

了解完链表的类型，再来说一说链表在内存中的存储方式。

数组是在内存中是连续分布的，但是链表在内存中可不是连续分布的。

链表是通过指针域的指针链接在内存中各个节点。

所以链表中的节点在内存中不是连续分布的 ，而是散乱分布在内存中的某地址上，分配机制取决于操作系统的内存管理。

如图所示：

这个链表起始节点为2， 终止节点为7， 各个节点分布在内存的不同地址空间上，通过指针串联在一起。

链表的定义

接下来说一说链表的定义。

# Definition for singly-linked list. 

class ListNode:

     def __init__(self, val=0, next=None):* 

         self.val = val 

         self.next = next

链表的操作

删除节点

删除D节点，如图所示：

只要将C节点的next指针 指向E节点就可以了。

那有同学说了，D节点不是依然存留在内存里么？只不过是没有在这个链表里而已。

是这样的，所以在C++里最好是再手动释放这个D节点，释放这块内存。

其他语言例如Java、Python，就有自己的内存回收机制，就不用自己手动释放了。

添加节点

如图所示：

可以看出链表的增添和删除都是O(1)操作，也不会影响到其他节点。

但是要注意，要是删除第五个节点，需要从头节点查找到第四个节点通过next指针进行删除操作，查找的时间复杂度是O(n)。

性能分析

再把链表的特性和数组的特性进行一个对比，如图所示：

数组在定义的时候，长度就是固定的，如果想改动数组的长度，就需要重新定义一个新的数组。

链表的长度可以是不固定的，并且可以动态增删， 适合数据量不固定，频繁增删，较少查询的场景。

示例题目

203.移除链表元素

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题意：删除链表中等于给定值 val 的所有节点。

示例 1： 输入：head = [1,2,6,3,4,5,6], val = 6 输出：[1,2,3,4,5]

示例 2： 输入：head = [], val = 1 输出：[]

示例 3： 输入：head = [7,7,7,7], val = 7 输出：[]

思路

这里以链表 1 4 2 4 来举例，移除元素4。

那么因为单链表的特殊性，只能指向下一个节点，刚刚删除的是链表的中第二个，和第四个节点，那么如果删除的是头结点又该怎么办呢？

这里就涉及如下链表操作的两种方式：

• 直接使用原来的链表来进行删除操作。
• 设置一个虚拟头结点在进行删除操作。

来看第一种操作：直接使用原来的链表来进行移除。

移除头结点和移除其他节点的操作是不一样的，因为链表的其他节点都是通过前一个节点来移除当前节点，而头结点没有前一个节点。

所以头结点如何移除呢，其实只要将头结点向后移动一位就可以，这样就从链表中移除了一个头结点。

这样移除了一个头结点，是不是发现，在单链表中移除头结点 和 移除其他节点的操作方式是不一样，其实在写代码的时候也会发现，需要单独写一段逻辑来处理移除头结点的情况。

那么可不可以 以一种统一的逻辑来移除 链表的节点呢。

其实可以设置一个虚拟头结点，这样原链表的所有节点就都可以按照统一的方式进行移除了。

来看看如何设置一个虚拟头。依然还是在这个链表中，移除元素1。

这里来给链表添加一个虚拟头结点为新的头结点，此时要移除这个旧头结点元素1。

这样是不是就可以使用和移除链表其他节点的方式统一了呢？

来看一下，如何移除元素1 呢，还是熟悉的方式，然后从内存中删除元素1。

最后呢在题目中，return 头结点的时候，别忘了 return dummyNode->next;， 这才是新的头结点

代码

#虚拟头节点法
# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def removeElements(self, head: Optional[ListNode], val: int) -> Optional[ListNode]:
        # 创建虚拟头部节点以简化删除过程
        dummy_head = ListNode(next = head)
        
        # 遍历列表并删除值为val的节点
        current = dummy_head
        while current.next:
            if current.next.val == val:
                current.next = current.next.next
            else:
                current = current.next
        
        return dummy_head.next

707.设计链表

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题意：

在链表类中实现这些功能：

• get(index)：获取链表中第 index 个节点的值。如果索引无效，则返回-1。
• addAtHead(val)：在链表的第一个元素之前添加一个值为 val 的节点。插入后，新节点将成为链表的第一个节点。
• addAtTail(val)：将值为 val 的节点追加到链表的最后一个元素。
• addAtIndex(index,val)：在链表中的第 index 个节点之前添加值为 val 的节点。如果 index 等于链表的长度，则该节点将附加到链表的末尾。如果 index 大于链表长度，则不会插入节点。如果index小于0，则在头部插入节点。
• deleteAtIndex(index)：如果索引 index 有效，则删除链表中的第 index 个节点。

思路

删除链表节点：

添加链表节点：

这道题目设计链表的五个接口：

• 获取链表第index个节点的数值
• 在链表的最前面插入一个节点
• 在链表的最后面插入一个节点
• 在链表第index个节点前面插入一个节点
• 删除链表的第index个节点

可以说这五个接口，已经覆盖了链表的常见操作，是练习链表操作非常好的一道题目

链表操作的两种方式：

• 直接使用原来的链表来进行操作。
• 设置一个虚拟头结点在进行操作。

下面用虚拟头结点来写

代码

单链表法
# 链表节点，包含数据部分和指向下一个节点的指针
class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next
        
class MyLinkedList:
    def __init__(self):			# 初始化节点的值和下一个节点的引用。
        self.dummy_head = ListNode()
        self.size = 0

    def get(self, index: int) -> int:		# 获取第n个节点的值
        if index < 0 or index >= self.size:
            return -1
        
        current = self.dummy_head.next
        for i in range(index):
            current = current.next
            
        return current.val
	
    def addAtHead(self, val: int) -> None:		 # 头部插入节点
        self.dummy_head.next = ListNode(val, self.dummy_head.next)
        self.size += 1

    def addAtTail(self, val: int) -> None:		# 尾部插入节点
        current = self.dummy_head
        while current.next:
            current = current.next
        current.next = ListNode(val)
        self.size += 1

    def addAtIndex(self, index: int, val: int) -> None:		 # 第n个节点前插入节点
        if index < 0 or index > self.size:
            return
        
        current = self.dummy_head
        for i in range(index):
            current = current.next
        current.next = ListNode(val, current.next)
        self.size += 1

    def deleteAtIndex(self, index: int) -> None:		# 删除第n个节点
        if index < 0 or index >= self.size:
            return
        
        current = self.dummy_head
        for i in range(index):
            current = current.next
        current.next = current.next.next
        self.size -= 1


# Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
# obj = MyLinkedList()
# param_1 = obj.get(index)
# obj.addAtHead(val)
# obj.addAtTail(val)
# obj.addAtIndex(index,val)
# obj.deleteAtIndex(index)

206.反转链表

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题意：反转一个单链表。

示例: 输入: 1->2->3->4->5->NULL 输出: 5->4->3->2->1->NULL

思路

如果再定义一个新的链表，实现链表元素的反转，其实这是对内存空间的浪费。

其实只需要改变链表的next指针的指向，直接将链表反转 ，而不用重新定义一个新的链表，如图所示:

之前链表的头节点是元素1， 反转之后头结点就是元素5 ，这里并没有添加或者删除节点，仅仅是改变next指针的方向。

首先定义一个cur指针，指向头结点，再定义一个pre指针，初始化为null。

然后就要开始反转了，首先要把 cur->next 节点用tmp指针保存一下，也就是保存一下这个节点。

为什么要保存一下这个节点呢，因为接下来要改变 cur->next 的指向了，将cur->next 指向pre ，此时已经反转了第一个节点了。

接下来，就是循环走如下代码逻辑了，继续移动pre和cur指针。

最后，cur 指针已经指向了null，循环结束，链表也反转完毕了。 此时我们return pre指针就可以了，pre指针就指向了新的头结点。

代码

（版本一）双指针法
# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def reverseList(self, head: ListNode) -> ListNode:
        cur = head   
        pre = None
        while cur！=None:
            temp = cur.next 	# 保存一下 cur的下一个节点，因为接下来要改变cur->next
            cur.next = pre 		#反转
            #更新pre、cur指针
            pre = cur
            cur = temp
        return pre

24. 两两交换链表中的节点

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给定一个链表，两两交换其中相邻的节点，并返回交换后的链表。

你不能只是单纯的改变节点内部的值，而是需要实际的进行节点交换。

思路

这道题目正常模拟就可以了。

建议使用虚拟头结点，这样会方便很多，要不然每次针对头结点（没有前一个指针指向头结点），还要单独处理。

接下来就是交换相邻两个元素了，此时一定要画图，不画图，操作多个指针很容易乱，而且要操作的先后顺序

初始时，cur指向虚拟头结点，然后进行如下三步：

操作之后，链表如下：

看这个可能就更直观一些了：

代码

# Definition for singly-linked list.
# class ListNode:
#     def __init__(self, val=0, next=None):
#         self.val = val
#         self.next = next
class Solution:
    def swapPairs(self, head: Optional[ListNode]) -> Optional[ListNode]:
        dummy_head=ListNode(next=head)
        current=dummy_head

        while current.next!=None and current.next.next!=None:
            temp1=current.next
            temp2=current.next.next.next

            current.next=current.next.next   #步骤一
            current.next.next=temp1    #步骤二
            temp1.next=temp2                #步骤三

            current=current.next.next

        return dummy_head.next

• 时间复杂度：O(n)
• 空间复杂度：O(1)

链表典型应用

单向链表通常用于实现栈、队列、哈希表和图等数据结构。

• 栈与队列：当插入和删除操作都在链表的一端进行时，它表现的特性为先进后出，对应栈；当插入操作在链表的一端进行，删除操作在链表的另一端进行，它表现的特性为先进先出，对应队列。
• 哈希表：链式地址是解决哈希冲突的主流方案之一，在该方案中，所有冲突的元素都会被放到一个链表中。
• 图：邻接表是表示图的一种常用方式，其中图的每个顶点都与一个链表相关联，链表中的每个元素都代表与该顶点相连的其他顶点。

双向链表常用于需要快速查找前一个和后一个元素的场景。

• 高级数据结构：比如在红黑树、B 树中，我们需要访问节点的父节点，这可以通过在节点中保存一个指向父节点的引用来实现，类似于双向链表。
• 浏览器历史：在网页浏览器中，当用户点击前进或后退按钮时，浏览器需要知道用户访问过的前一个和后一个网页。双向链表的特性使得这种操作变得简单。
• LRU 算法：在缓存淘汰（LRU）算法中，我们需要快速找到最近最少使用的数据，以及支持快速添加和删除节点。这时候使用双向链表就非常合适。

环形链表常用于需要周期性操作的场景，比如操作系统的资源调度。

• 时间片轮转调度算法：在操作系统中，时间片轮转调度算法是一种常见的 CPU 调度算法，它需要对一组进程进行循环。每个进程被赋予一个时间片，当时间片用完时，CPU 将切换到下一个进程。这种循环操作可以通过环形链表来实现。
• 数据缓冲区：在某些数据缓冲区的实现中，也可能会使用环形链表。比如在音频、视频播放器中，数据流可能会被分成多个缓冲块并放入一个环形链表，以便实现无缝播放。