链表
什么是链表
链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在每一个节点里存到下一个节点的指针(Pointer)。由于不必须按顺序存储，链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度，比另一种线性表顺序表快得多，但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要O(n)的时间，而顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。 使用链表结构可以克服数组链表需要预先知道数据大小的缺点，链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。但是链表失去了数组随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大。
在计算机科学中，链表作为一种基础的数据结构可以用来生成其它类型的数据结构。链表通常由一连串节点组成，每个节点包含任意的实例数据（data fields）和一或两个用来指向上一个/或下一个节点的位置的链接（"links"）。链表最明显的好处就是，常规数组排列关联项目的方式可能不同于这些数据项目在记忆体或磁盘上顺序，数据的访问往往要在不同的排列顺序中转换。而链表是一种自我指示数据类型，因为它包含指向另一个相同类型的数据的指针（链接）。链表允许插入和移除表上任意位置上的节点，但是不允许随机存取。链表有很多种不同的类型：单向链表，双向链表以及循环链表。在本篇文章里，主要学习一下单向链表和双向链表的实现。
单向链表
链表中最简单的一种是单向链表，它包含两个域，一个信息域和一个指针域。这个链接指向列表中的下一个节点，而最后一个节点则指向一个空值。
一个单向链表包含两个值: 当前节点的值和一个指向下一个节点的链接。
一个单向链表的节点被分成两个部分。第一个部分保存或者显示关于节点的信息，第二个部分存储下一个节点的地址。单向链表只可向一个方向遍历。
链表最基本的结构是在每个节点保存数据和到下一个节点的地址，在最后一个节点保存一个特殊的结束标记，另外在一个固定的位置保存指向第一个节点的指针，有的时候也会同时储存指向最后一个节点的指针。一般查找一个节点的时候需要从第一个节点开始每次访问下一个节点，一直访问到需要的位置。但是也可以提前把一个节点的位置另外保存起来，然后直接访问。当然如果只是访问数据就没必要了，不如在链表上储存指向实际数据的指针。这样一般是为了访问链表中的下一个或者前一个（需要储存反向的指针，见下面的双向链表）节点。
相对于下面的双向链表，这种普通的，每个节点只有一个指针的链表也叫单向链表，或者单链表，通常用在每次都只会按顺序遍历这个链表的时候（例如图的邻接表，通常都是按固定顺序访问的）。
以下是单链表的代码实现：
package com.java2novice.ds.linkedlist;
public class SinglyLinkedListImpl<T> {
private Node<T> head;
private Node<T> tail;
public void add(T element){
Node<T> nd = new Node<T>();
nd.setValue(element);
System.out.println("Adding: "+element);
/**
* check if the list is empty
*/
if(head == null){
//since there is only one element, both head and
//tail points to the same object.
head = nd;
tail = nd;
} else {
//set current tail next link to new node
tail.setNextRef(nd);
//set tail as newly created node
tail = nd;
}
}
public void addAfter(T element, T after){
Node<T> tmp = head;
Node<T> refNode = null;
System.out.println("Traversing to all nodes..");
/**
* Traverse till given element
*/
while(true){
if(tmp == null){
break;
}
if(tmp.compareTo(after) == 0){
//found the target node, add after this node
refNode = tmp;
break;
}
tmp = tmp.getNextRef();
}
if(refNode != null){
//add element after the target node
Node<T> nd = new Node<T>();
nd.setValue(element);
nd.setNextRef(tmp.getNextRef());
if(tmp == tail){
tail = nd;
}
tmp.setNextRef(nd);
} else {
System.out.println("Unable to find the given element...");
}
}
public void deleteFront(){
if(head == null){
System.out.println("Underflow...");
}
Node<T> tmp = head;
head = tmp.getNextRef();
if(head == null){
tail = null;
}
System.out.println("Deleted: "+tmp.getValue());
}
public void deleteAfter(T after){
Node<T> tmp = head;
Node<T> refNode = null;
System.out.println("Traversing to all nodes..");
/**
* Traverse till given element
*/
while(true){
if(tmp == null){
break;
}
if(tmp.compareTo(after) == 0){
//found the target node, add after this node
refNode = tmp;
break;
}
tmp = tmp.getNextRef();
}
if(refNode != null){
tmp = refNode.getNextRef();
refNode.setNextRef(tmp.getNextRef());
if(refNode.getNextRef() == null){
tail = refNode;
}
System.out.println("Deleted: "+tmp.getValue());
} else {
System.out.println("Unable to find the given element...");
}
}
public void traverse(){
Node<T> tmp = head;
while(true){
if(tmp == null){
break;
}
System.out.println(tmp.getValue());
tmp = tmp.getNextRef();
}
}
public static void main(String a[]){
SinglyLinkedListImpl<Integer> sl = new SinglyLinkedListImpl<Integer>();
sl.add(3);
sl.add(32);
sl.add(54);
sl.add(89);
sl.addAfter(76, 54);
sl.deleteFront();
sl.deleteAfter(76);
sl.traverse();
}
}
class Node<T> implements Comparable<T> {
private T value;
private Node<T> nextRef;
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
public Node<T> getNextRef() {
return nextRef;
}
public void setNextRef(Node<T> ref) {
this.nextRef = ref;
}
@Override
public int compareTo(T arg) {
if(arg == this.value){
return 0;
} else {
return 1;
}
}
}Output:
Adding: 3
Adding: 32
Adding: 54
Adding: 89
Traversing to all nodes..
Deleted: 3
Traversing to all nodes..
Deleted: 89
32
54
76双向链表
一种更复杂的链表是“双向链表”或“双面链表”。每个节点有两个连接：一个指向前一个节点，（当此“连接”为第一个“连接”时，指向空值或者空列表）；而另一个指向下一个节点，（当此“连接”为最后一个“连接”时，指向空值或者空列表）
一个双向链表有三个整数值: 数值, 向后的节点链接, 向前的节点链接。
双向链表也叫双链表。双向链表中不仅有指向后一个节点的指针，还有指向前一个节点的指针。这样可以从任何一个节点访问前一个节点，当然也可以访问后一个节点，以至整个链表。一般是在需要大批量的另外储存数据在链表中的位置的时候用。双向链表也可以配合下面的其他链表的扩展使用。
由于另外储存了指向链表内容的指针，并且可能会修改相邻的节点，有的时候第一个节点可能会被删除或者在之前添加一个新的节点。这时候就要修改指向首个节点的指针。有一种方便的可以消除这种特殊情况的方法是在最后一个节点之后、第一个节点之前储存一个永远不会被删除或者移动的虚拟节点，形成一个下面说的循环链表。这个虚拟节点之后的节点就是真正的第一个节点。这种情况通常可以用这个虚拟节点直接表示这个链表，对于把链表单独的存在数组里的情况，也可以直接用这个数组表示链表并用第0个或者第-1个（如果编译器支持）节点固定的表示这个虚拟节点。
以下是双向链表的代码实现：
package com.java2novice.ds.linkedlist;
import java.util.NoSuchElementException;
public class DoublyLinkedListImpl<E> {
private Node head;
private Node tail;
private int size;
public DoublyLinkedListImpl() {
size = 0;
}
/**
* this class keeps track of each element information
* @author java2novice
*
*/
private class Node {
E element;
Node next;
Node prev;
public Node(E element, Node next, Node prev) {
this.element = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
/**
* returns the size of the linked list
* @return
*/
public int size() { return size; }
/**
* return whether the list is empty or not
* @return
*/
public boolean isEmpty() { return size == 0; }
/**
* adds element at the starting of the linked list
* @param element
*/
public void addFirst(E element) {
Node tmp = new Node(element, head, null);
if(head != null ) {head.prev = tmp;}
head = tmp;
if(tail == null) { tail = tmp;}
size++;
System.out.println("adding: "+element);
}
/**
* adds element at the end of the linked list
* @param element
*/
public void addLast(E element) {
Node tmp = new Node(element, null, tail);
if(tail != null) {tail.next = tmp;}
tail = tmp;
if(head == null) { head = tmp;}
size++;
System.out.println("adding: "+element);
}
/**
* this method walks forward through the linked list
*/
public void iterateForward(){
System.out.println("iterating forward..");
Node tmp = head;
while(tmp != null){
System.out.println(tmp.element);
tmp = tmp.next;
}
}
/**
* this method walks backward through the linked list
*/
public void iterateBackward(){
System.out.println("iterating backword..");
Node tmp = tail;
while(tmp != null){
System.out.println(tmp.element);
tmp = tmp.prev;
}
}
/**
* this method removes element from the start of the linked list
* @return
*/
public E removeFirst() {
if (size == 0) throw new NoSuchElementException();
Node tmp = head;
head = head.next;
head.prev = null;
size--;
System.out.println("deleted: "+tmp.element);
return tmp.element;
}
/**
* this method removes element from the end of the linked list
* @return
*/
public E removeLast() {
if (size == 0) throw new NoSuchElementException();
Node tmp = tail;
tail = tail.prev;
tail.next = null;
size--;
System.out.println("deleted: "+tmp.element);
return tmp.element;
}
public static void main(String a[]){
DoublyLinkedListImpl<Integer> dll = new DoublyLinkedListImpl<Integer>();
dll.addFirst(10);
dll.addFirst(34);
dll.addLast(56);
dll.addLast(364);
dll.iterateForward();
dll.removeFirst();
dll.removeLast();
dll.iterateBackward();
}
}Output:
adding: 10
adding: 34
adding: 56
adding: 364
iterating forward..
34
10
56
364
deleted: 34
deleted: 364
iterating backword..
56
10参考资料：
(1) 维基百科——链表：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%BE%E8%A1%A8;
(2) Linked List Data Structure：http://www.java2novice.com/data-structures-in-java/linked-list/
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