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数据结构(Java版)第六期:LinkedList与链表(一)

3 人参与  2024年12月23日 10:01  分类 : 《我的小黑屋》  评论

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一、链表

1.1. 链表的概念及结构

1.2. 链表的实现


专栏:数据结构(Java版)

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一、链表

1.1. 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。与火车类似,火车头、车厢与每一届车厢之间由火车链连接起来。在物理上,链表是不一定连续的,但在逻辑上一定是连续的。

        如下图所示,链表的结构分为两个域,一个域用来储存数据,另一个域用来储存下一个节点(类似于火车的一节车厢)的地址。 与顺序表不同的是,链表的地址在物理上不连续,但在逻辑上是连续的。最后一个节点相当于“车尾”,里面存的地址为null。这就是一个单向、不带头、非循环的链表。类似地,还有双向、带头、循环的链表。但考试考最多的说就是单链表。

      什么是带头的链表呢?如下图所示,第一个节点可以存任何数据,但存取的数据是没有意义的,唯一的作用就是起到一个“排头兵”的作用。不带头的链表呢,相当于它的head会变的,比如我们把第一个节点删掉,那么第二个节点就会成为head。

        那么什么又是循环链表呢?如下图所示,最后一个节点指向了第一个节点或第二个节点,就可以构成循环链表,但一般情况下,我们都是指向第一个节点。

1.2. 链表的实现

      接下来我们要通过代码来实现链表,我们就可以定义一个MySingleList类,链表当中有很多的节点,基于面向对象的思想,我们可以使用内部类来定义我们的节点。

public class MySingleList {    static class ListNode{        private int val;        private ListNode next;        public ListNode(int val) {            this.val = val;        }        //因为不知道下一个节点是谁,所以这里的构造函数的参数里不写next。    }     public ListNode head;//表示当前链表的头节点     public int listSize;} 

       链表的基础已经写好了,下面要实行链表的增、删、查、改。我们可以把这些方法写在一个接口里面。接口里面的方法默认都是public,并且不需要具体的实现。然后我们在MySingleList类里面对这些方法进行重写。

public interface Ilist {    //头插法    void addFirst(int data);    //尾插法    void addLast(int data);    //任意位置插⼊第⼀个数据节点为0 号下标    void addIndex(int index,int data);    //查找是否包含关键字key是否在单链表当中    boolean contains(int key);    public void remove(int key);    //删除所有值为 key的节点    public void removeAllKey(int key);    //得到单链表的⻓度    int size();    public void clear();    public void display();}
public class MySingleList implements Ilist{    static class ListNode{        private int val;        private ListNode next;        public ListNode(int val) {            this.val = val;        }        //因为不知道下一个节点是谁,所以这里的构造函数的参数里不写next。        public ListNode head;//表示当前链表的头节点    }    @Override    public void addFirst(int data) {    }    @Override    public void addLast(int data) {    }    @Override    public void addIndex(int index, int data) {    }    @Override    public boolean contains(int key) {        return false;    }    @Override    public void remove(int key) {    }    @Override    public void removeAllKey(int key) {    }    @Override    public int size() {        return 0;    }    @Override    public void clear() {    }    @Override    public void display() {    }}

     我们也可以自己创建一个链表:

    public ListNode head;//表示当前链表的头节点    public void CreateList(){        ListNode node1 = new ListNode(11);        ListNode node2 = new ListNode(22);        ListNode node3 = new ListNode(33);        ListNode node4 = new ListNode(44);        //这些数据之间没有连续性        node1.next = node2;        node2.next = node3;        node3.next = node4;        //node4已经是最后一个节点了,不需要管最后一个next        this.head = node1;//这样可以从第一个节点开始去遍历我们的数组    }public class Main {    public static void main(String[] args) {        MySingleList mySingleList = new MySingleList();        mySingleList.CreateList();        System.out.println("=========");    }}

       我们在对象实例化这里打一个断点来进行调试。开始的时候,头节点是空的,运行到下一行时,我们的val的值和next的地址都被CreateList方法串联起来了。

        了解了next的引用原理之后,我们就可以遍历链表来对里面的数据进行打印。我们通过上面的display方法来实现,那我们如何通过head的引用从第一个节点指向第二个节点呢?

//基本变量通过自增的方式来赋值int a = 10;a = a + 1;//同理,引用变量也可以采用上述方法head = head.next;
    @Override    public void display() {        while(head != null){            System.out.print(head.val+" ");            head = head.next;        }        System.out.println();    }

       我们来对这个方法进行调试一下,如下图所示,当head不为空时,进入while循环,当head.next指向第二个节点时val的值变为了22,next的地址也指向了第二个节点。当head指向最后一个节点时,地址变为null,跳出while循环。

 

    运行结果如下:

        但这种写法也有致命的缺点,如果说这个方法有返回值呢,head遍历完我们的链表之后,head引用变为了null,返回的值也会成一个null,如果我们再用ListCode创建一个cur变量,head引用保持不动,把head的引用赋值给cur,再让cur去遍历链表。

       比如我们通过size方法来获取链表的节点数,就可以这样写:

    @Override    public int size() {        ListNode cur = head;        int count = 0;        while(cur != null){            cur = cur.next;            count++;        }        return count;    }

     再比如我们去写contains方法去判断链表里是否存在关键字:

    @Override    public boolean contains(int key) {        ListNode cur1 = head;        while(cur1 != null){            if(cur1.val == key){                return true;            }            cur1 = cur1.next;        }        return false;    }        System.out.println(mySingleList.contains(44));        System.out.println(mySingleList.contains(45));

 

        可能有的老铁在写这个方法会写出cur1.next != null,因为最后一个节点的next为null,当cur1走到最后节点时,不满足cur1.next != null,相当与根本没有遍历完这个数组。

       下面我们将要进行对链表里的数据进行增删查改。我们先来实现头插和尾插。我们如果向把一个node节点(里面存的数据是10)插入head节点前面之后,node节点就变成了head节点。我们可以通过下面两行代码来实现这个过程。这里千万不能把两行代码写反,因为这样就会使得node.next指向自己。

node.next = head;//先让node.next的地址指向node1head = node;//再通过head引用指向node,就能把node变成头节点

    public void addFirst(int data) {        ListNode node = new ListNode(data);        if(head == null){            head = node;//相当于插入进一个空的链表        }else{            node.next = head;            head = node;        }    }    public static void main(String[] args) {        Ilist mySingleList = new MySingleList();        mySingleList.addFirst(10);        mySingleList.addFirst(20);        mySingleList.addFirst(30);        mySingleList.addFirst(40);        mySingleList.display();    }

       对于尾插的实现,与头插不同的是,我们需要先找出链表的最后一个节点,然后再让cur.next = node。如果说初始的链表是空的情况下,则cur= null,cur.next就会出现空指针异常。我们就需要参考contains方法来寻找链表的尾部。

    @Override    public void addLast(int data) {        ListNode node = new ListNode(data);        //表示链表为空        if(head == null) {            head = node;            return;        }        //找到链表的尾巴        ListNode cur = head;        while (cur.next != null) {            cur = cur.next;        }        cur.next = node;    }

     下面我们来实现比较复杂的在任意位置插入一个节点:为了方便理解,我们给每个节点都编上号。如果说我们要把新的节点插入到2号位置,那么新的节点就会变成2号位置。但我们的cur是不能走两步的,因为插入之后2号位置不知道前面的节点是谁,这个链表是单向的,所以cur不能往回走,也就是要走index-1步。我们可以通过两行代码来实现这一过程。

node.next = cur.next;cur.next = node;

       对于cur需要走index-1步的过程,我们可以重新写一个方法来实现。然后我们就可以把新节点插入到链表中了。

private ListNode findIndex(int index){        ListNode cur = head;        int count = 0;        while(count != index-1){            cur = cur.next;            count++;        }        return cur;    }
public void addIndex(int index, int data) {        ListNode node = new ListNode(data);        ListNode cur = findIndex(index);        node.next = cur.next;        cur.next = node;        listSize++;    }

       过程确实有点复杂,不懂的老铁可以去画画图去理解。到这里,看似我们的过程已经结束了,但我们需要考虑其他的一些问题。如果我们在0号位置插或者在5号位置插,那么就相当于头插和尾插了,我们就可以直接调用addFirst和addLast方法。那如果我们在-1、-2位置插呢?这时就会越界访问。我们就需要写一个方法来检查访问是否合法。

        if(index == 0) {            addFirst(data);            return;        }        if(index == size()) {            addLast(data);            return;        }
    private void checkIndexOfAdd(int index){        if(index<0 || index>size()){            throw new RuntimeException("插入的位置不合法,index="+index);        }    }
public class IndexOutOf extends RuntimeException{    public IndexOutOf() {    }    public IndexOutOf(String message) {        super(message);    }}try {            mySingleList.addIndex(6,99);        }catch (IndexOutOf e) {            e.printStackTrace();        }

       接下来我们看删除元素。删除并不是简单的跳过这个节点,还要把要删除的节点前一个和后一个连接起来。那我们先找到要删除元素的前一个元素,我们又该如何找到要删除的节点呢?

cur.next = del.next;

rivate ListNode findNode(int key) {        ListNode cur = head;        while (cur.next != null) {            if(cur.next.val == key) {                return cur;            }            cur = cur.next;        }        return null;    }

       通过上面这个方法,我们就可以找到我们要删除的节点。注意,我们不能写成cur != null,因为cur.next就会空指针异常。如果我们没有找到,就返回null。但是,我们需要考虑一下,我们要删除第一个数据,cur已经在第一个节点,那么cur.next就不会对第一个节点进行判断,从而就不会删除。

    @Override    public void remove(int key) {        if(head == null) {            return;        }        if(head.val == key) {            head = head.next;            listSize--;            return;        }        ListNode cur = findNode(key);        if(cur == null) {            System.out.println("没有你要删除的数据");            return;        }        ListNode del = cur.next;        cur.next = del.next;        listSize--;    }


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