如何用 Go 实现单链表

一、概念介绍

下面这副图是我们单链表运煤车队。

每节运煤车就是单链表里的元素,每节车厢里的煤炭就是元素中保存的数据。前后车通过锁链相连,作为单链表运煤车,从1号车厢开始,每节车厢都知道后面拉着哪一节车厢,却不知道前面是哪节车厢拉的自己。第一节车厢没有任何车厢拉它,我们就叫它车头,第五节车厢后面拉其他车厢,我们称为车尾。

作为单链表它最大的特点就是能随意增加车队的长度,也能随意减少车队的长度。这是比数组公交车最大的优点。

二、Go语言实现讲解

1、节点

每节车厢都由车体、绳索和煤炭构成。在Go语言中表示这种自定义组合体的类型就是结构,当然为了通用性,我们这里要把车厢转换成节点也就是元素,煤炭转换成数据,绳索转换成指针。

type Node struct {
    data Object
    next *Node
}

用张图来描述这种对应关系。

这里结构体Node表示车厢,data表示煤炭用Object类型,next是牵着下节车厢的绳索,用指针表示。

对于车厢来说,除了放煤炭外,还能放瓜果、衣物、饭菜等等,所以这里data的类型必须通用,当然Go里是没有Java里的Object类型的,所以我们就自己定义了一个。

type Object interface{}

2、链表

光有车厢还不够,我们还要描述车厢组成的车队。每个单链表车队都有车头、车尾和车厢数量,我们同样以结构来表现。

type List struct {
    size uint64 // 车辆数量
    head *Node  // 车头
    tail *Node  // 车尾
}

3、方法

(1)初始化

第一步就是组装单链表车队,这就是初始化。不过开始的时候车队是个空壳,一个车厢没有。

func (list *List) Init() {
    (*list).size = 0    // 此时链表是空的
    (*list).head = nil  // 没有车头
    (*list).tail = nil  // 没有车尾
}

(2)添加元素

当前的单链表是空的,所以我们要向里面添加元素。

func (list *List) Append(node *Node) {
    (*list).head = node // 这是单链表的第一个元素,也是链表的头部
    (*list).tail = node // 同时是单链表的尾部
    (*list).size = 1    // 单链表有了第一个元素
}

现在单链表有了第一个元素,我还想再添加一个元素,当然是添加到单链表尾部。

func (list *List) Append(node *Node) {
    if (*list).size == 0 { // 无元素的时候添加
        (*list).head = node // 这是单链表的第一个元素,也是链表的头部 
        (*list).tail = node // 同时是单链表的尾部
        (*list).size = 1    // 单链表有了第一个元素
    } else { // 有元素了再添加
        oldTail := (*list).tail
        (*oldTail).next = node  // node放到尾部元素后面
        (*list).tail = node     // node成为新的尾部
        (*list).size++          // 元素数量增加
    }
}

分析上面的代码存在3处疑点,元芳你怎么看?属下认为

第一,node如果为空,则添加无任何意义;

第二,代码中存在重复的地方;

这第三么,卑职如何才能知道新增结果?

下面大卫哥顺着元芳的思路改进下代码。

func (list *List) Append(node *Node) bool {
    if node == nil {
        return false
    }
    
    (*node).next = nil
    // 将新元素放入单链表中
    if (*list).size == 0 { 
        (*list).head = node  
    } else { 
        oldTail := (*list).tail
        (*oldTail).next = node  
    }

    // 调整尾部位置,及链表元素数量
    (*list).tail = node // node成为新的尾部  
    (*list).size++      // 元素数量增加

    return true
}

(3)插入元素

一天领导让大卫哥把他小舅子安排到第一个,于是大卫哥为了拍好领导马屁。绞尽脑汁弄了一个方法。

func (list *List) Insert(node *Node) bool {
    if node == nil {
        return false
    }
 
    (*node).next = (*list).head   // 领导小舅子排到之前第一名前面
    (*list).head = node           // 领导小舅子成为第一名
    (*list).size++

    return true
}

来托关系插队的人越来越多,领导的关系户不能动,只能插后面人的队了。于是大卫哥又修改了代码,增加了位置参数。

func (list *List) Insert(i uint,node *Node) bool {
    // 空的节点、索引超出范围和空链表都无法做插入操作
    if node == nil || i > (*list).size || (*list).size == 0 {
        return false
    }

    if i == 0 { // 直接排第一,也就领导小舅子才可以
        (*node).next = (*list).head
        (*list).head = node
    } else {
        // 找到前一个元素
        preItem := (*list).head
        for j := 1 ; j < i; j++ { // 数前面i个元素
            preItem = (*preItem).next
        }
        // 原来元素放到新元素后面,新元素放到前一个元素后面
        (*node).next = (*preItem).next
        (*preItem).next = preItem
    }

        (*list).size++ 

        return true
}

(4)删除元素

插队的关系户太多,影响了正常排队的人,被人投诉,大卫哥只好想办法删除一些。

func (list *List) Remove(i uint, node *Node) bool {
    if i >= (*list).size {
        return false
    }
    
    if i == 0 { // 删除头部
        node = (*list).head
        (*list).head = (*node).next
        if (*list).size == 1 { // 如果只有一个元素,那尾部也要调整
            (*list).tail = nil
        }
    } else {
        preItem := (*list).head
        for j := 1; j < i; j++ {
            preItem = (*preItem).next
        }
    
        node = (*preItem).next
        (*preItem).next = (*node).next

        if i == ((*list).size - 1) { // 若删除的尾部,尾部指针需要调整
            (*list).tail = preItem
        }
    }
    (*list).size--
    return true
}

(5)获取

为了获取某个位置的元素,我们需要一个方法。

func (list *List) Get(i uint) *Node {
    if i >= (*list).size {
        return nil
    }

    item := (*list).head
    for j := 0; j < i ; j++ {    // 从head数i个
        item = (*item).next
    }

    return item
}

到这里基本框架已经出来了,不过还有几个接口还没实现,作为课后作业。

三、小结

单链表就和列车类似,一个接着一个,所以本节从列车类比介绍了单链表的Go语言实现。在接口实现部分大卫哥以序号作为链表中每个节点的操作关键字。在实际应用中,我们往往以data中的某一个字段作为操作关键字。所以这也衍生出链表的不同接口,大家可以参考大卫哥留的链接中的代码实现作为理解。同时有些实现将表头独立出来并不存放数据,这在一定程度上简化了代码的实现。

代码下载

四、习题

(1)补全GetSize,RemoveAll,GetHead和GetTail的定义和实现。

(2)以data作为参数,考虑单链表的实现。

(3)将单链表的head独立出来,此时的head是独立的,不存放data,如下图,考虑单链表的实现,并比较这种实现。

(4)如果将head和tail都独立出来,都不存放data,此时的单链表如何实现?这样实现的代码在插入删除操作时候是不是更容易点?

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