看得见的数据结构Android版之单链表篇

零、前言

1.前面用数组实现了表结构,也分析了数组表的局限性(头部修改困难) 2.今天来讲另一种数据结构:单链表,它是一种最简单的动态数据结构 3.链表有点像火车,一节拴着一节,想要在某节后加一节,打开连接处,再拴上就行了 4.本例操作演示源码:希望你可以和我在Github一同见证:DS4Android的诞生与成长,欢迎star

1.留图镇楼:单链表的最终实现的操作效果:

单链表操作合集.gif

2.对于单链表简介:
单链表是对节点(Node)的操作,而节点(Node)又承载数据(T)  
总的来看,单链表通过操作节点(Node)从而操作数据(T),就像车厢运送获取,车厢只是载体,货物是我们最关注

Node只不过是一个辅助工具,并不会暴露在外。它与数据相对应,又使数据按链式排布,
操纵节点也就等于操纵数据,就像提线木偶,并不是直接操作木偶的各个肢体本身(数据T)。

为了统一节点的操作,通常在链表最前面添加一个虚拟头结点(避免对头部单独判断)

一个链表.png

注意:单链表的实际使用场景并不多,因为有比他更厉害的双链表 在某些特定场景,比如只是频繁对头结点进行操作,单链表最佳, 单链表的讲解为双链表做铺垫,直接讲双链表肯跨度有点大。作为数据结构之一,还是要不要了解一下。

3.单链表的实现:本文要务

单链表实现表结构.png

一、单链表结构的实现:SingleLinkedChart

1.表的接口定义在数组表篇,这里就不贴了

这里给出实现接口后的 SingleLinkedChart 以及简单方法的实现

/**
 * 作者:张风捷特烈<br/>
 * 时间:2018/11/22 0022:15:36<br/>
 * 邮箱:1981462002@qq.com<br/>
 * 说明:单链表实现表结构
 */
public class SingleLinkedChart<T> implements IChart<T> {
    private Node headNode;//虚拟头结点
    private int size;//元素个数

    public SingleLinkedChart() {
        headNode = new Node(null, null);
        size = 0;
    }
    
    @Override
    public void add(int index, T el) {
    }

    @Override//默认添加到头部
    public void add(T el) {
        add(0, el);
    }

    @Override//默认删除头部
    public T remove(int index) {
        return null;
    }

    @Override
    public T remove() {
        return remove(0);
    }

    @Override
    public int removeEl(T el) {
        return 0;
    }

    @Override
    public boolean removeEls(T el) {
        return false;
    }

    @Override
    public void clear() {
        headNode = new Node(null, null);
        size = 0;
    }

    @Override
    public T set(int index, T el) {
      return null;
    }

    @Override
    public T get(int index) {
         return null;
    }

    @Override
    public int[] getIndex(T el) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean contains(T el) {
        return getIndex(el).length != 0;
    }

    @Override
    public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
        return null;
    }

    @Override
    public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public int capacity() {
        return size;
    }
2.单链节点类(Node)的设计:

SingleLinkedChart 相当于一列火车,暂且按下,先把车厢的关系弄好,最后再拼接列车会非常方便 这里将 Node 作为 SingleLinkedChart 的一个私有内部类,是为了隐藏 Node,并能使用 SingleLinkedChart 的资源 就像心脏在身体内部,外面人看不见,但它却至关重要,并且还能获取体内的信息与资源 一节车厢,最少要知道里面的货物(node.T)是什么,它的下一节车厢(node.next)是哪个

 /**
 * 内部私有节点类
 */
private class Node {
    /**
     * 节点数据元素
     */
    private T el;
    /**
     * 下一节点的引用
     */
    private Node next;
    private Node(Node next, T el) {
        this.el = el;
        this.next = next;
    }
}

二、节点(Node)的底层操作(CRUD)----链表的心脏

1.查找车厢:

比如你的可视区域就是一节车厢的长度,一开始只能看见火车头 从火车头开始,你需要一节一节往下找,也就相当于,列车每次开一节,到你想要的位置,就停下来 这是你就能查看车厢的货物(get到节点数据),如何用代码来模拟呢?

单链表查询.png

/**
 * 根据索引寻找节点
 *
 * @param index 索引
 * @return 节点
 */
private Node getNode(int index) {
    //声明目标节点
    Node targetNode = headNode;
    for (int i = 0; i < index; i++) {//火车运动驱动源
        //一节一节走,直到index
        targetNode = targetNode.next;
    }
    return targetNode;
}

可以检测一下:index=0时,targetNode = targetNode.next 执行1次,也就获得了T0车厢 index=1时,targetNode = targetNode.next 执行2次,也就获得了T1车厢...

2.定点插入

还是想下火车头:想在2号车厢(target)和1号车厢之间插入一节T4车厢怎么办? 第一步:找到2号车厢的前一节车厢--1号厢(target-1) 第二步:将1号厢(target-1)的链子(next)栓到T4车厢上,再把T4的链子栓到2号车厢(target)

节点插入.png

/**
 * 在指定链表前添加节点
 *
 * @param index 索引
 * @param el    数据
 */
private void addNode(int index, T el) {
    Node preTarget = getNode(index - 1);//获取前一节车厢
    //新建节点,同时下一节点指向target的下一节点--
    //这里有点绕,分析一下:例子:2号车厢和1号车厢之间插入一节T4车厢
    //preTarget:1号车厢   preTarget.next:2号车厢
    //T4车厢:new Node(preTarget.next, el)---创建时就把链子拴在了:preTarget.next:2号车厢
    Node tNode = new Node(preTarget.next, el);
    //preTarget的next指向tNode--- 1号车厢栓到T4车厢
    preTarget.next = tNode;
    size++;
}

3.定点修改

你要把车厢的货物换一下,这还不简单,找到车厢,换呗

/**
 * 修改节点
 * @param index 节点位置
 * @param el 数据
 * @return 修改后的节点
 */
private Node<T> setNode(int index, T el) {
    Node<T> node = getNode(index);
    node.el = el;
    return node;
}

4.定点移除

要把T1车厢移除:T0和T2手拉手,好朋友,T1被孤立了,把自己的链子拿掉,伤心地走开...

单链表删除.png

/**
 * 移除指定索引的节点
 *
 * @param index 索引
 * @return 删除的元素
 */
private T removeNode(int index) {
    Node preTarget = getNode(index - 1);//获取前一节车厢
    Node target = preTarget.next;//目标车厢
    //前一节车厢的next指向目标车厢下一节点
    preTarget.next = target.next;//T0和T2手拉手
    target.next = null;//T1把自己的链子拿掉,伤心地走开...
    size--;
    return target.el;
}

三、节点 (Node) 的操作完成了,下面拼火车吧 (SingleLinkedChart)

感觉真正的链表就是一个包装壳,暴漏了操作接口给外界,内部劳苦功高的还是Node 这种封装在编程里非常常见,有些闻名遐迩的类中有很多都是默默无闻的大佬

1、定点添加操作--add

可见在选中点的前面添加一个节点 处于单链表的特点:头部添加容易,尾部添加要查询一遍,所以默认是添加在头部

定点添加操作.gif

@Override
public void add(int index, T el) {
    // index可以取到size,在链表末尾空位置添加元素。
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index");
    }
    addNode(index + 1, el);
    //为了接口规范,计数从0开始,而链表没有索引概念,只是第几个,T0被认为是第一节车厢。
    //比如选中点2---说明是目标是第3节车厢,所以index + 1 =2+1
}

2.定点移除操作--remove

处于单链表的特点:头部删除容易,尾部删除要查询一遍,所以默认是删除在头部

定点删除操作.gif

@Override
public T remove(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index");
    }
    return removeNode(index + 1);//同理
}

3.获取和修改--get和set

get和set操作.gif

@Override
public T set(int index, T el) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index");
    }
    return setNode(index + 1, el).el;
}

@Override
public T get(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index");
    }
    return getNode(index + 1).el;
}

四、其他操作

其他操作.gif

1.是否包含某元素:
@Override
public boolean contains(T el) {
    Node target = headNode;
    while (target.next != null) {
        if (el.equals(target.next)) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}
2.根据指定元素获取匹配索引
@Override
public int[] getIndex(T el) {
    int[] tempArray = new int[size];//临时数组
    int index = 0;//重复个数
    int count = 0;
    Node node = headNode.next;
    while (node != null) {
        if (el.equals(node.el)) {
            tempArray[index] = -1;
            count++;
        }
        index++;
        node = node.next;
    }
    int[] indexArray = new int[count];//将临时数组压缩
    int indexCount = 0;
    for (int i = 0; i < tempArray.length; i++) {
        if (tempArray[i] == -1) {
            indexArray[indexCount] = i;
            indexCount++;
        }
    }
    return indexArray;
}
3.按元素移除:(找到,再删除...)
@Override
public int removeEl(T el) {
    int[] indexes = getIndex(el);
    int index = -1;
    if (indexes.length > 0) {
        index = indexes[0];
        remove(indexes[0]);
    }
    return index;
}

@Override
public boolean removeEls(T el) {
    int[] indexArray = getIndex(el);
    if (indexArray.length != 0) {
        for (int i = 0; i < indexArray.length; i++) {
            remove(indexArray[i] - i); // 注意-i
        }
        return true;
    }
    return false;
}
4.定点连接两个单链表
///////////////只是实现一下,getHeadNode和getLastNode破坏了Node的封装性,不太好/////////////
@Override
public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
    return contact(0, iChart);
}

@Override
public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
    if (!(iChart instanceof SingleLinkedChart)) {
    return null;
    }

    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Contact failed. Illegal index");
    }
    SingleLinkedChart<T> linked = (SingleLinkedChart<T>) iChart;
    Node firstNode = linked.getHeadNode().next;//接入链表 头结点
    Node lastNode = linked.getLastNode();//接入链表 尾结点
    Node target = getNode(index + 1);//获取目标节点
    Node targetNext = target.next;//获取目标节点的下一节点
    target.next = firstNode;//获取目标节点的next连到 接入链表 头结点
    lastNode.next = targetNext; //待接入链表 尾结点连到 目标节点的下一节点
    return this;
}

public Node getHeadNode() {
    return headNode;
}
public Node getLastNode() {
    return getNode(size);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////

五、单链表小结:

1.简单测试

方法\数量

1000

10000

10W

100W

1000W

add首

0.0002秒

0.0009秒

0.0036秒

0.5039秒

3.1596秒

add尾

0.0029秒

0.1096秒

9.1836秒

----

----

remove首

0.0001秒

0.0016秒

0.0026秒

0.0299秒

0.1993秒

remove尾

0.0012秒

0.1009秒

8.9750秒

----

----

2.优劣分析
优点:  动态创建,节省空间  
        头部添加容易  
缺点:  空间上不连续,造成空间碎片化
        查找困难,只能从头开始一个一个找
使用场景:完全可用双链表替代,只对前面元素频繁增删,单链表优势最高。
3.最后把视图一起说了吧

接口都是相同的,底层实现更换了,并不会影响视图层,只是把视图层的单体绘制更改一下就行了。 详细的绘制方案见这里

/**
 * 绘制表结构
 *
 * @param canvas
 */
private void dataView(Canvas canvas) {
    mPaint.setColor(Color.BLUE);
    mPaint.setStyle(Paint.Style.FILL);
    mPath.reset();
    for (int i = 0; i < mArrayBoxes.size(); i++) {
        SingleNode box = mArrayBoxes.get(i);
        mPaint.setColor(box.color);
        canvas.drawRoundRect(
                box.x, box.y, box.x + Cons.BOX_WIDTH, box.y + Cons.BOX_HEIGHT,
                BOX_RADIUS, BOX_RADIUS, mPaint);
        mPath.moveTo(box.x, box.y);
        mPath.rCubicTo(Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2,
                Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2, Cons.BOX_WIDTH, 0);
        if (i < mArrayBoxes.size() - 1) {
            SingleNode box_next = mArrayBoxes.get(i + 1);
            if (i % 6 == 6 - 1) {//边界情况
                mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT);
                mPath.rLineTo(-Cons.BOX_WIDTH / 2, 0);
                mPath.lineTo(box_next.x + Cons.BOX_WIDTH / 2f, box_next.y);
                mPath.rLineTo(Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
            } else {
                mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT / 2f);
                mPath.lineTo(box_next.x, box_next.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2f);
                mPath.rLineTo(-Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
            }
        }
        canvas.drawPath(mPath, mPathPaint);
        canvas.drawText(box.index + "",
                box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
                box.y + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
        canvas.drawText(box.data + "",
                box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
                box.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2 + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
    }
}

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