23张图！万字详解「链表」，从小白到大佬！
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2021-01-14 22:05
作者 | 王磊
来源 | Java中文社群（ID：javacn666）
链表和数组是数据类型中两个重要又常用的基础数据类型。
数组是连续存储在内存中的数据结构，因此它的优势是可以通过下标迅速的找到元素的位置，而它的缺点则是在插入和删除元素时会导致大量元素的被迫移动，为了解决和平衡此问题于是就有了链表这种数据类型。
看过某些抗日神剧我们都知道，某些秘密组织为了防止组织的成员被“一窝端”，通常会采用上下级单线联系的方式来保护其他成员，而这种“行为”则是链表的主要特征。
简介
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）。
复杂度分析
由于链表无需按顺序存储，因此链表在插入的时可以达到 O(1) 的复杂度，比顺序表快得多，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，而顺序表插入和查询的时间复杂度分别是 O(log n) 和 O(1)。
优缺点分析
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。
分类
链表通常会分为以下三类：
单向链表 双向链表 循环链表 单循链表 双循环链表
1.单向链表
单链表的遍历方向单一，只能从链头一直遍历到链尾。它的缺点是当要查询某一个节点的前一个节点时，只能再次从头进行遍历查询，因此效率比较低，而双向链表的出现恰好解决了这个问题。
接下来，我们用代码来实现一下单向链表的节点：
private static class Node<E> {
E item;
Node next;
Node(E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
}
}
2.双向链表
接下来，我们用代码来实现一下双向链表的节点：
private static class Node<E> {
E item;
Node next;
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
3.循环链表
循环链表又分为单循环链表和双循环链表，也就是将单向链表或双向链表的首尾节点进行连接，这样就实现了单循环链表或双循环链表了，如下图所示：
Java中的链表
学习了链表的基础知识之后，我们来思考一个问题：Java 中的链表 LinkedList 是属于哪种类型的链表呢？单向链表还是双向链表？
要回答这个问题，首先我们要来看 JDK 中的源码，如下所示：
package java.util;
import java.util.function.Consumer;
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 链表大小
transient int size = 0;
// 链表头部
transient Node first;
// 链表尾部
transient Node last;
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}
// 获取头部元素
public E getFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
// 获取尾部元素
public E getLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
// 删除头部元素
public E removeFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
// 删除尾部元素
public E removeLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
// 添加头部元素
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
// 添加头部元素的具体执行方法
private void linkFirst(E e) {
final Node f = first;
final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 添加尾部元素
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
// 添加尾部元素的具体方法
void linkLast(E e) {
final Node l = last;
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 查询链表个数
public int size() {
return size;
}
// 清空链表
public void clear() {
for (Node x = first; x != null; ) {
Node next = x.next;
x.item = null;
x.next = null;
x.prev = null;
x = next;
}
first = last = null;
size = 0;
modCount++;
}
// 根据下标获取元素
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
private static class Node<E> {
E item;
Node next;
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
// 忽略其他方法......
}
从上述节点 Node 的定义可以看出：LinkedList 其实是一个双向链表，因为它定义了两个指针 next 和 prev 分别用来指向自己的下一个和上一个节点。
链表常用方法
LinkedList 的设计还是很巧妙的，了解了它的实现代码之后，下面我们来看看它是如何使用的？或者说它的常用方法有哪些。
1.增加
接下来我们来演示一下增加方法的使用：
public class LinkedListTest {
public static void main(String[] a) {
LinkedList list = new LinkedList();
list.add("Java");
list.add("中文");
list.add("社群");
list.addFirst("头部添加"); // 添加元素到头部
list.addLast("尾部添加"); // 添加元素到最后
System.out.println(list);
}
}
以上代码的执行结果为：
[头部添加, Java, 中文, 社群, 尾部添加]
出来以上的 3 个增加方法之外，LinkedList 还包含了其他的添加方法，如下所示：
add(int index, E element)：向指定位置插入元素； offer(E e)：向链表末尾添加元素，返回是否成功； offerFirst(E e)：头部插入元素，返回是否成功； offerLast(E e)：尾部插入元素，返回是否成功。
add 和 offer 的区别
它们的区别主要体现在以下两点：
offer 方法属于 Deque 接口，add 方法属于 Collection 的接口； 当队列添加失败时，如果使用 add 方法会报错，而 offer 方法会返回 false。
2.删除
删除功能的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
public static void main(String[] a) {
LinkedList list = new LinkedList();
list.offer("头部");
list.offer("中间");
list.offer("尾部");
list.removeFirst(); // 删除头部元素
list.removeLast(); // 删除尾部元素
System.out.println(list);
}
}
以上代码的执行结果为：
[中间]
除了以上删除方法之外，更多的删除方法如下所示：
clear()：清空链表； removeFirst()：删除并返回第一个元素； removeLast()：删除并返回最后一个元素； remove(Object o)：删除某一元素，返回是否成功； remove(int index)：删除指定位置的元素； poll()：删除并返回第一个元素； remove()：删除并返回第一个元素。
3.修改
修改方法的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
public static void main(String[] a) {
LinkedList list = new LinkedList();
list.offer("Java");
list.offer("MySQL");
list.offer("DB");
// 修改
list.set(2, "Oracle");
System.out.println(list);
}
}
以上代码的执行结果为：
[Java, MySQL, Oracle]
4.查询
查询方法的演示代码如下：
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListTest {
public static void main(String[] a) {
LinkedList list = new LinkedList();
list.offer("Java");
list.offer("MySQL");
list.offer("DB");
// --- getXXX() 获取 ---
// 获取最后一个
System.out.println(list.getLast());
// 获取首个
System.out.println(list.getFirst());
// 根据下标获取
System.out.println(list.get(1));
// peekXXX() 获取
System.out.println("--- peek() ---");
// 获取最后一个
System.out.println(list.peekLast());
// 获取首个
System.out.println(list.peekFirst());
// 根据首个
System.out.println(list.peek());
}
}
以上代码的执行结果为：
DB
Java
MySQL
--- peek() ---
DB
Java
Java
5.遍历
LinkedList 的遍历方法包含以下三种。
遍历方法一：
for (int size = linkedList.size(), i = 0; i < size; i++) {
System.out.println(linkedList.get(i));
}
遍历方法二：
for (String str: linkedList) {
System.out.println(str);
}
遍历方法三：
Iterator iter = linkedList.iterator();
while (iter.hasNext()) {
System.out.println(iter.next());
}
链表应用：队列 & 栈
1.用链表实现栈
接下来我们用链表来实现一个先进先出的“队列”，实现代码如下：
LinkedList list = new LinkedList();
// 元素入列
list.add("Java");
list.add("中文");
list.add("社群");
while (!list.isEmpty()) {
// 打印并移除队头元素
System.out.println(list.poll());
}
以上程序的执行结果如下：
Java
中文
社群
2.用链表实现队列
然后我们用链表来实现一个后进先出的“栈”，实现代码如下：
LinkedList list = new LinkedList();
// 元素入栈
list.add("Java");
list.add("中文");
list.add("社群");
while (!list.isEmpty()) {
// 打印并移除栈顶元素
System.out.println(list.pollLast());
}
以上程序的执行结果如下：
社群
中文
Java
链表使用场景
链表作为一种基本的物理结构，常被用来构建许多其它的逻辑结构，如堆栈、队列都可以基于链表实现。
所谓的物理结构是指可以将数据存储在物理空间中，比如数组和链表都属于物理数据结构；而逻辑结构则是用于描述数据间的逻辑关系的，它可以由多种不同的物理结构来实现，比如队列和栈都属于逻辑结构。
链表常见笔试题
链表最常见的笔试题就是链表的反转了，之前的文章《链表反转的两种实现方法，后一种击败了100%的用户！》我们提供了 2 种链表反转的方法，而本文我们再来扩充一下，提供 3 种链表反转的方法。
实现方法 1：Stack
我们先用图解的方式来演示一下，使用栈实现链表反转的具体过程，如下图所示。
全部入栈：
因为栈是先进后出的数据结构，因此它的执行过程如下图所示：
最终的执行结果如下图所示：
实现代码如下所示：
public ListNode reverseList(ListNode head) {
if (head == null) return null;
Stack stack = new Stack<>();
stack.push(head); // 存入第一个节点
while (head.next != null) {
stack.push(head.next); // 存入其他节点
head = head.next; // 指针移动的下一位
}
// 反转链表
ListNode listNode = stack.pop(); // 反转第一个元素
ListNode lastNode = listNode; // 临时节点，在下面的 while 中记录上一个节点
while (!stack.isEmpty()) {
ListNode item = stack.pop(); // 当前节点
lastNode.next = item;
lastNode = item;
}
lastNode.next = null; // 最后一个节点赋为null（不然会造成死循环）
return listNode;
}
实现方法 2：递归
同样的，我们先用图解的方式来演示一下，此方法实现的具体过程，如下图所示。
实现代码如下所示：
public static ListNode reverseList(ListNode head) {
if (head == null || head.next == null) return head;
// 从下一个节点开始递归
ListNode reverse = reverseList(head.next);
head.next.next = head; // 设置下一个节点的 next 为当前节点
head.next = null; // 把当前节点的 next 赋值为 null，避免循环引用
return reverse;
}
LeetCode 验证结果如下图所示：
可以看出这种实现方法在执行效率方面已经满足我们的需求了，性能还是很高的。
实现方法 3：循环
我们也可以通过循环的方式来实现链表反转，只是这种方法无需重复调用自身方法，只需要一个循环就搞定了，实现代码如下：
class Solution {
public ListNode reverseList(ListNode head) {
if (head == null) return null;
// 最终排序的倒序链表
ListNode prev = null;
while (head != null) {
// 循环的下个节点
ListNode next = head.next;
// 反转节点操作
head.next = prev;
// 存储下个节点的上个节点
prev = head;
// 移动指针到下一个循环
head = next;
}
return prev;
}
}
LeetCode 验证结果如下图所示：
从上述图片可以看出，使用此方法在时间复杂度和空间复杂度上都是目前的最优解，比之前的两种方法更加理想。
总结
本文我们讲了链表的定义，它是由数据域和指针域两部分组成的。链表可分为：单向链表、双向链表和循环链表，其中循环链表又可以分为单循链表和双循环链表。通过 JDK 的源码可知，Java 中的 LinkedList 其实是双向链表，我们可以使用它来实现队列或者栈，最后我们讲了反转链表的 3 种实现方法，希望本文的内容对你有帮助。
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