【数据结构与算法】LinkedList与链表

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📕一. ArrayList的缺陷

熟悉了ArrayList的使用后，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，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。

 

📗二. 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 。

 

注意：

1. 从图中可以看出，链式结构在逻辑上是连续的，但是在物理上不一定连续
2. 现实中的节点一般都是从堆上申请出来的
3. 从堆上申请的空间，是按照一定的策略来分配的，两次申请的空间可能连续，也可能不连续

实际中链表的结构非常多样，以下情况组合起来就有8种链表结构：

1. 单向或者双向
   

2. 带头或者不带头
   

3. 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:

1. 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。
   

2. 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

1. 链表是由一个一个节点组成的 就可以设置成内部类，然后就是定义数值域和存储下一个节点的地址，另外提供一个构造方法来new数值域

public class MySingleList {
	static class ListNode{//静态内部类
	    public int val;//数值域
	    public ListNode next;//存储下一个节点的地址
	    
	    public ListNode(int val){
	        this.val = val;
	    }
	}
	...
}
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此处需要注意的是我们的构造方法只需要传val，因为我们next值是未知的，在任意位置都是不同的

2. 定义单链表的头节点的引用

public ListNode head;
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注意在这里我们头节点不要定义在静态内部类中，头节点属于整个链表的头节点

3. 进行初步简单的链表构造

public void creatList(){
    ListNode listNode1 = new ListNode(12);
    ListNode listNode2 = new ListNode(23);
    ListNode listNode3 = new ListNode(34);
    ListNode listNode4 = new ListNode(45);
    ListNode listNode5 = new ListNode(56);

    listNode1.next = listNode2;
    listNode2.next = listNode3;
    listNode3.next = listNode4;
    listNode4.next = listNode5;
    
    this.head = listNode1;
}
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1. 定义好一串链表数值val，此时next域为null
2. 让每一个节点next域指向下一个节点，就发生了节点的链接指向
3. 最后把第一个节点定义为头节点

4. 链表的打印

public void display(){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        System.out.print(cur.val+" ");
        cur = cur.next;
    }
    System.out.println();
}
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1. 在这里需要注意的是用cur替代head的遍历，head就会一直存在，不会被丢失掉
2. cur替代head的时候，只要不为空，就一直打印然后往后走，直到为空后停止打印

5. 查找是否包含关键字key，是否在单链表当中

public boolean contains(int key){
    ListNode cur = this.head;
    //cur != null 说明没有遍历完链表
    while(cur != null){
        if(cur.val == key){
            return true;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return false;
}
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cur从头节点开始遍历，当头节点不为空的情况下，判断遍历的时候是否有元素和关键字key相等

6. 得到单链表的长度

public int size(){
    int count = 0;
    ListNode cur = this.head;
    while(cur != null){
        count++;
        cur = cur.next;
    }
    return count;
}
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定义一个count，每当cur走一步，count就自增一次，直到cur遇到null然后返回count的值就是链表长度

7. 头插法（时间复杂度O(1)）

public void addFirst(int data){
    ListNode node = new ListNode(data);
    //当head == null的时候 可以直接总结出来
    /*if(this.head == null){
        this.head = node;
    }else{
        node.next = this.head;
        this.head = node;
    }*/
    node.next = this.head;
    this.head = node;
}
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定义一个node节点，让node节点next域指向head，然后把head赋值给node（注意顺序不可改变）

8. 尾插法（时间复杂度O(n)）

public void addLast(int data){
    ListNode node = new ListNode(data);
    if(head == null){
        head = node;
    }else{
        ListNode cur = head;
        while(cur.next != null){
            cur = cur.next;
        }
        //cur.next == null;
        cur.next = node;
    }
}
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当cur遍历走到null的位置时，说明走到了最后一个节点的位置，此时让cur的next域指向node就可以把node插入到尾部节点

9. 指定位置插入元素，为了插入元素，我们得先给每个节点赋予下标

①：先判断下标合法性

private void checkIndexAdd(int index){
    if (index < 0 || index > size()){
        throw new MySingleListIndexOutOfException("任意位置插入的时候，index位置不合法！");
    }
}
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下标既不能是0，也不能大于链表长度，否则是不合法的

②：考虑特殊情况，下标为0插入相当于头插法，下标为链表长度为尾插法
③：如何插入元素？

例如在下标为 1 和 2 之间插入元素，插入节点为node，我们让cur走到1的时候，让node的next指向cur的next，就相当于让node的next指向了下标为2的节点，再让cur的next指向node就可以把三者连接起来了

找到node前一个节点的位置cur

private ListNode findIndexSubOne(int index){
    ListNode cur = this.head;
    while (index - 1 != 0){
        cur = cur.next;
        index--;//cur走的趟数
    }
    return cur;
}
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总的实现：

public void addIndex(int index,int data){
    checkIndexAdd(index);
    if(index == 0){
        addFirst(data);
        return;
    }
    if(index == size()){
        addLast(data);
        return;
    }
    ListNode node = new ListNode(data);
    ListNode cur = findIndexSubOne(index);
    node.next = cur.next;
    cur.next = node;
}
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10. 删除第一次出现的关键字key

删除一个节点我们可以让关键字key前面的一个节点直接指向关键字key后面一个节点，直接跳过了key就是删除了

public void remove(int key){
    if(this.head == null){
        System.out.println("此时链表为空，不能进行删除！");
        return;
    }
    if(this.head.val == key){
        //判断第一个节点是不是等于我要删除的节点
        this.head = this.head.next;
        return;
    }

    ListNode cur = this.head;
    while(cur.next != null){
        if(cur.next.val == key){
            //进行删除了
            ListNode del = cur.next;
            cur.next = del.next;
            return;
        }
        cur = cur.next;
    }
}
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1. 考虑特殊情况，链表为空和第一个节点就是我们要删除的关键字
2. 首先在cur的next域不为空的前提下我们才能判断cur的next域的val，不至于发生空指针异常，当我们cur的next的val为关键字的时候，最终目的就是要让cur的next往后指俩位，相当于cur.next.next，直接逃过要删除的节点就可以了

11. 删除所有值为key的节点

要求：

1. 时间复杂度为O(n)
2. 只遍历单链表一遍

首先我们需要知道的是：

删除的核心是 需要找到这个节点的前一个节点是谁

所以我们在这里定两个指针cur和prev，其中cur代表的是要删除的节点，prev代表的是cur的前驱

每次cur走一步的时候，prev都会紧随其后，当cur遇到了要删除的链表，都会直接往后走，直到遇到非val值的节点，然后prev继续跟着cur走

①：先考虑特殊情况：头节点不为空
②：定义cur和prev指针位置
③：在删除节点之前，我们得知道cur走动的前提是不为空的
④：在cur 不为空的前提下，我们该如何删除元素呢？

如第二个节点为我们要删除的元素，直接让prev(head)指向第三个元素的下标，第三个元素的下标就是cur.next，所以最终的式子就是prev.next = cur.next，然后让cur继续往后面走，继续执行此代码

⑤：最终代码就完成了，但是还有一个特殊情况，那就是cur是从第二个元素开始遍历，并没有考虑到头节点，所以我们在这里单独判断一下头节点

public void removeAllKey(int key){
   //删除的核心是需要找到这个节点的前一个节点是谁   设置prev为cur的前一个节点
   if(this.head == null){
       return;
   }
   ListNode cur = this.head.next;
   ListNode prev = this.head;

   while(cur != null){
       if(cur.val == key){
           prev.next = cur.next;
           cur = cur.next;
       }else{
           prev = cur;
           cur = cur.next;
       }
   }
   //单独处理了头节点
   if(this.head.val == key){
       head = head.next;
   }
}
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12. 清空链表里的所有元素

就是每个节点之间 不要有人引用了

①：方法一：暴力直接一步到位就是直接把头节点置为空，这样后面的链式节点全都没人引用了
②：方法二：让curNext为空，cur遍历的时候，把curNext赋给cur，最后单独处理下头节点

public void clear(){
    //this.head = null;//一步到位 暴力直接
    ListNode cur = this.head;
    ListNode curNext = null;
    while(cur != null){
        curNext = cur.next;
        cur.next = null;
        cur = curNext;
    }
    head = null;
}
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📘三. LinkedList的模拟实现

LinkedList底层就是一个双向链表，我们来实现一个双向链表。

1. 它是由一个一个节点组成的 就可以设置成内部类，然后就是定义数值域，储存上一个节点的地址和存储下一个节点的地址，另外提供一个构造方法来new数值域

static class ListNode{
    public int val;
    public ListNode prev;
    public ListNode next;

    public ListNode(int val){//此处不添加prev和next参数是因为实例化节点的时候前后都是未知的
        this.val = val;
    }
}
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2. 标记头尾节点

public ListNode head;//标记头部
public ListNode last;//标记尾部
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3. 打印

public void display(){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        System.out.print(cur.val+" ");
        cur = cur.next;
    }
}
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和链表一样的打印

4. 头插法

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;
    }
}
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1. 考虑特殊情况，LinkedList为空的情况下
2. 如何头插：插入节点的next域引用头节点，头节点的前一节点域指向node，然后node就成为了头节点

5. 尾插法

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;
    }
}
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1. 考虑特殊情况，LinkedList为空的情况下
2. 让最后节点的next域引用node，然后把node的前缀指向最后的节点，让最后的节点等于node

6. 得到单链表的长度

public int size(){
    int count = 0;
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        count++;
        cur = cur.next;
    }
    return count;
}
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7. 在任意位置插入节点

①：首先我们得定义下标，为节点插入做准备

private ListNode searchIndex(int index){
    ListNode cur = head;
    while(index != 0){
        cur = cur.next;
        index--;
    }
    return cur;
}
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②：插入方法实现

cur是插入节点后一位的节点，让node的next域指向cur，再让插入节点前一位节点的next域指向node，让node的prev域指向插入节点的前一位节点，最后把cur的prev域指向node就完成了所有的步骤

public void addIndex(int index,int data){
    if(index < 0 || index > 0){
        System.out.println("index不合法！");
    }
    if(index == 0){
        addFirst(data);
        return;
    }
    if(index > size()){
        addLast(data);
        return;
    }
    //cur拿到了index下标的节点的地址
    ListNode cur = searchIndex(index);
    ListNode node = new ListNode(data);
    node.next = cur;
    cur.prev.next = node;
    node.prev = cur.prev;
    cur.prev = node;
}
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8. 查找是否包含关键字key是否在单链表当中

public boolean contains(int key){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        if(cur.val == key){
            return true;
        }
        cur = cur.next;
    }
    return false;
}
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9. 删除第一次出现关键字为key的节点

public void remove(int key){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        if(cur.val == key){
            //判断当前是不是头节点
            if(cur == head){
                head = head.next;
                if(head != null){//只有一个节点
                        head.prev = null;
                    }
            }else {
                //中间和尾巴的情况
                cur.prev.next = cur.next;
                if(cur.next != null){
                    cur.next.prev = cur.prev;
                }else {
                    last = last.prev;
                }
            }
            return;
        }else {
            cur = cur.next;
        }
    }
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1. 在这里我们删除节点不需要额外的前驱信息，节点本身就包含了
2. 删除的条件cur.prev.next = cur.next; cur.next.prev = cur.prev;
3. 在这里面我们用了前驱后驱信息，考虑特殊情况是有头节点和尾节点的，所以我们又要分开考虑
4. 头节点就直接往后走，记得前驱为空，且考虑只有一个节点的情况
5. 尾节点就直接往前面走
    
   注意：判断后如果没有return，删除前面的节点就可能发生空指针异常

10. 删除所有值为key的节点

和单个的删除是一样的，只是判断完了之后我们需要让cur继续走就对了，此时不可以return

public void removeAllKey(int key){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        if(cur.val == key){
            //判断当前是不是头节点
            if(cur == head){
                head = head.next;
                if(head != null){
                    head.prev = null;
                }
            }else {
                //中间和尾巴的情况
                cur.prev.next = cur.next;
                if(cur.next != null){
                    cur.next.prev = cur.prev;
                }else {
                    last = last.prev;
                }
            }
            cur = cur.next;//继续往后走
        }else {
            cur = cur.next;
        }
    }
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11. 清空链表

遍历置为空就可以

public void clear(){
    ListNode cur = head;
    while(cur != null){
        ListNode curNext = cur.next;
        //cur.val = null  是引用类型就置为空，基本类型就不用
        cur.prev = null;
        cur.next = null;
        cur = curNext;
    }
    head = null;
    last = null;
}
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需要注意的是这里头节点和尾节点需要置为空，因为遍历完成之后他们还在被引用

 

📒四.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)

📜4.2 LinkedList的使用

1. LinkedList的构造

2. LinkedList的其他常用方法介绍

方法简介：

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());
}
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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();
}
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📔五. ArrayList和LinkedList的区别