Java 数据结构篇-实现双链表的核心API

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文章目录

        1.0 双链表的说明

        1.1 双链表 - 创建

        1.2 双链表 - 根据索引查找节点

        1.3 双链表 - 根据索引插入节点

        1.4 双链表 - 头插节点

        1.5 双链表 - 尾插

        1.6 双链表 - 根据索引来删除节点

        1.7 头删节点

        1.8 尾删节点

        1.9 实现迭代器循环

        2.0 双链表完整的实现代码

        3.0 环形双链表的说明

        3.1 环形双链表 - 创建

        3.2 环形双链表 - 头插节点

        3.3 环形双链表 - 尾插节点

        3.4 环形双链表 - 头删节点

        3.5 环形双链表 - 尾删节点

        3.6 环形链表 - 根据值来删除节点

        4.0 环形双链表完整的实现代码

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        1.0 双链表的说明

        双链表是一种数据结构，其中每个节点包含两个指针，一个指向前一个节点，一个指向后一个节点。双链表可以在任意位置插入或删除节点，而不需要像单链表那样遍历整个链表来找到需要操作的位置。双链表可以用于实现栈、队列、以及其他需要快速插入和删除操作的数据结构。由于每个节点包含两个指针，双链表的内存占用量通常比单链表更大。

        1.1 双链表 - 创建

        把双链表封装成一个类，类中还需要封装一个节点类 Node，该节点类的成员有指向前一个节点的变量 Node prev，值 value ，指向后一个节点的变量 Node next 。

代码如下：

public class MyDoubleLists{private final Node hand;private final Node tail;private static class Node {public Node prev;public Node next;public int value;public Node(Node prev, int value, Node next) {this.prev = prev;this.next = next;this.value = value;}}public MyDoubleLists() {hand = new Node(null,0,null);tail = new Node(hand,-1,null);hand.next = tail;tail.prev = hand;}}

         注意外部类中，还需要定义头节点，尾节点，再利用外部类的构造器中就可以完成对头尾节点的初始化了。内部类中的节点类建议用静态来修饰。

        1.2 双链表 - 根据索引查找节点

        由于这个方法可以为其他几个方法提供服务，因此，把这个方法独立出来。实现思路为：开始的节点应为 hand，循环终止条件为：p == tail 当指向尾节点的那一刻就该结束循环了。还要加一个变量 i = -1 ，每一次循环结束要进行 i++ ,当 i == index 时，找到了该索引的节点，返回该节点即可，若循环结束还是没找到，就得返回 null 。

代码如下：

    //根据索引查找节点private Node findNode(int index) {int i = -1;for (Node p = hand; p !=tail ; p = p.next,i++){if (i == index) {return p;}}return null;}

        这个方法一般不会对外开发，因此，加上 private 来修饰，当 i == -1 时，返回的时头节点，所以一开始的节点为 hand 。对外是索引从 0 开始才会存储值的，对于头节点存储什么值是不关心的。

        1.3 双链表 - 根据索引插入节点

         根据索引插入节点，提前需要准备好该节点的前一个节点 prev、该节点的后一个节点 next 。通过以上已经实现的方法来找到插入位置的前一个结点，prev = findNode(index - 1)，后一个节点也就可以找到了，next = prev.next。

代码如下：

    //根据索引插入节点public void insert(int index, int value) {Node p = findNode(index - 1);if (p == null){throw new RuntimeException("用索引访问失败");}Node prev = p;Node next = prev.next;Node insertNode = new Node(prev, value,next);prev.next = insertNode;next.prev = insertNode;}

        prev.next 指向新的节点，next.prev 指向上一个节点。新的节点的头节点的引用为 prev，尾节点为 next 。 

         1.4 双链表 - 头插节点

        其实这个方法就比较简单了，这个就是根据索引 0 来插入节点的，就是一个索引等于0的特例，所以可以直接调用已经实现的 insert(0，int value) 方法。

代码如下：

    //头插节点public void addFirst(int value) {insert(0,value);}

         1.5 双链表 - 尾插

        对尾部的操作是双链表的一个很大的优势，对尾部的查询、增加节点、删除节点效率都很快，因为对尾节点是有记录的，就不用从头开始来查找尾部节点了，直接可以得到。

        实现方法的思路为：需要找到插入的前一个节点，插入的后一个节点肯定是尾节点，所以，可以通过   prev =  tail.prev，来找到插入的前一个节点。

代码如下：

    //尾插节点public void addLast(int value) {Node lats = tail;Node prev = lats.prev;Node addNode = new Node(prev,value,lats);prev.next = addNode;lats.prev = addNode;}

        新的节点的前一个节点为 prev ，后节点为 tail，prev.next 与 tail.prev 就要更改为指向新的节点了。

        1.6 双链表 - 根据索引来删除节点

        先通过已经实现的 findNode() 方法来找到该索引的节点，还有找到删除该节点的前一个节点与后一个节点。

代码如下：

    //根据索引来删除节点public void remove(int index) {Node prev = findNode(index - 1);if (prev == null) {throw new RuntimeException("用索引来删除数据失败！");}Node remove = prev.next;if (remove == tail) {throw new RuntimeException("用索引来删除数据失败！");}Node next = remove.next;prev.next = next;next.prev = next;}

         接着就可以将要删除的前一个节点指向要删除的节点后一个节点，但是考虑两种情况，第一种，当要删除的节点没找到，就要抛出异常了。第二种，当发现要删除的节点为 tail 时需要抛出异常，总不能自己把自己的尾巴 "切了吧" 然而不用考虑是否把头节点删除，因为要删除的节点总是拿不到头节点。

         1.7 头删节点

        当索引为0时，就是头删，是 remove(0) 方法的一个特例。可以直接来调用根据索引来删除节点的方法。

代码如下：

    //头删节点public void removeFirst() {remove(0);}

         1.8 尾删节点

        双链表尾删的效率是很高的，因为对尾节点是有记录的。

代码如下：

    //尾删节点public void removeLast() {Node remove = tail.prev;if (remove == hand){throw new RuntimeException();}Node prev = remove.prev;prev.next = tail;tail.prev = prev;}

        需要找到三个节点，要删除的节点、删除节点的前一个节点、还有尾节点。需要注意的是，判断要删除的节点为头节点，需要抛出异常，总不能自己把自己的 " 头部 " 给切了吧。

         1.9 实现迭代器循环

        这个完成 Iterable 接口，创建新的该接口子类对象，重写两个方法即可。

代码如下：

    //实现迭代器循环@Overridepublic Iterator<Integer> iterator() {return new Iterator<Integer>() {Node p = hand.next;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != tail;}@Overridepublic Integer next() {int value = p.value;p = p.next;return value;}};}

        需要注意的是，头节点的值是不用在乎的，所以遍历开始为 hand.next ，循环结束条件为，p == tail，遍历到尾节点就要终止了。

        2.0 双链表完整的实现代码

 

import java.util.Iterator;public class MyDoubleLists implements Iterable<Integer>{private final Node hand;private final Node tail;private static class Node {public Node prev;public Node next;public int value;public Node(Node prev, int value, Node next) {this.prev = prev;this.next = next;this.value = value;}}public MyDoubleLists() {hand = new Node(null,0,null);tail = new Node(hand,-1,null);hand.next = tail;tail.prev = hand;}//根据索引查找节点private Node findNode(int index) {int i = -1;for (Node p = hand; p !=tail ; p = p.next,i++){if (i == index) {return p;}}return null;}//根据索引插入节点public void insert(int index, int value) {Node p = findNode(index - 1);if (p == null){throw new RuntimeException("用索引访问失败");}Node prev = p;Node next = prev.next;Node insertNode = new Node(prev, value,next);prev.next = insertNode;next.prev = insertNode;}//头插节点public void addFirst(int value) {insert(0,value);}//尾插节点public void addLast(int value) {Node lats = tail;Node prev = lats.prev;Node addNode = new Node(prev,value,lats);prev.next = addNode;lats.prev = addNode;}//根据索引来删除节点public void remove(int index) {Node prev = findNode(index - 1);if (prev == null) {throw new RuntimeException("用索引来删除数据失败！");}Node remove = prev.next;if (remove == tail) {throw new RuntimeException("用索引来删除数据失败！");}Node next = remove.next;prev.next = next;next.prev = next;}//头删节点public void removeFirst() {remove(0);}//尾删节点public void removeLast() {Node remove = tail.prev;if (remove == hand){throw new RuntimeException();}Node prev = remove.prev;prev.next = tail;tail.prev = prev;}//根据索引来查询数据public int get(int index) {Node find = findNode(index);if (find == null){throw new RuntimeException("根据该索引找不到数据");}return find.value;}//实现迭代器循环@Overridepublic Iterator<Integer> iterator() {return new Iterator<Integer>() {Node p = hand.next;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != tail;}@Overridepublic Integer next() {int value = p.value;p = p.next;return value;}};}}

        3.0 环形双链表的说明

        环形双链表是一种数据结构，它类似于双向链表，但是链表的最后一个节点指向第一个节点，形成一个环形结构。简单来说，先对比与一般的双链表，环形双链表就是头尾节点都是同一个节点。

        3.1 环形双链表 - 创建

        把环形双链表看成一个对象，该类中需要封装一个节点的内部类，对外不开放的，需要用限制修饰符来修饰。外部类中的成员变为 sentinel ，即作为头节点，也作为尾节点。

代码如下：

public class MyAnnularDoubleList{private final Node sentinel;private static class Node {public Node prev;public int value;public Node next;public Node(Node prev, int value, Node next) {this.prev = prev;this.value = value;this.next = next;}}public MyAnnularDoubleList() {sentinel = new Node(null,0,null);sentinel.prev = sentinel;sentinel.next = sentinel;}}

        在创建环形双链表时，在用无参构造器就可以先把 sentinel 初始化了。

        3.2 环形双链表 - 头插节点

        根据 next =  sentinel.next 就可以得到插入点的下一个节点，就可以把新节点的指向的前一个节点来指向 sntinel，新节点的指向后一个节点来指向 next 。

        这里需要考虑一种情况，假设，该环形双链表中就只有一个 sentinel 节点，以上阐述的思路还能不能用呢？答案时可以的，如果实在理解不了的话，可以把一个 sentinel 节点，想象成两个 sentinel 节点，效果都是一样的，都是指向自己嘛。

代码如下：

    //头插节点public void addFirst(int value) {Node hand = sentinel;Node tail = sentinel.next;Node addNode = new Node(hand,value,tail);hand.next = addNode;tail.prev = addNode;}

        3.3 环形双链表 - 尾插节点

        根据 prev = sentinel.prev 来找到插入节点的前一个的节点，插入节点的后一个节点就是 sentinel ，新节点的指向前的节点为 prev，新节点的指向后的节点为 sentinel ，接着 prev.next 指向新节点，sentinel.prev 指向新节点。

代码如下：

    //尾插节点public void addLast(int value) {Node prev = sentinel.prev;Node next = sentinel;Node addNode = new Node(prev,value,next);prev.next = addNode;next.prev = addNode;}

        同理，不需要额外考虑当节点只有一个时，以上代码依旧可以实现尾插节点。

        3.4 环形双链表 - 头删节点

        根据 remove = sentinel.next ，可以得到需要删除的节点，再由 next = remove.next，得到删除节点的后一个节点，这样三个节点后已知了，santinel.next 指向 next ，next.prev 指向sentinel ，剩下的没有被引用的节点（对象），会被 JVM 自动回收。

代码如下：

    //头删节点public void removeFirst() {Node remove = sentinel.next;if (remove == sentinel) {throw new RuntimeException("删除失败！");}Node next = remove.next;sentinel.next = next;next.prev = sentinel;}

        需要注意的是，当删除的节点为 sentinel 需要抛出异常，但是个人感觉不加判断也可以，sentinel 根本不会被删除，即使只有 sentinel 一直被删除。

        3.5 环形双链表 - 尾删节点

        根据 remove = sentinel.prev 得到需要删除的节点，通过 prev = remove.prev 得到需要删除的前一个节点，prev.next 指向 sentinel，sentinel.prev 指向 prev 即可。

代码如下：

    //尾删节点public void removeLast() {Node remove = sentinel.prev;Node prev = remove.prev;prev.next = sentinel;sentinel.prev = prev;}

        同样的，当删除的节点为 sentinel 需要抛出异常，但是个人感觉不加判断也可以，sentinel 根本不会被删除，即使只有 sentinel 一直被删除。

         3.6 环形链表 - 根据值来删除节点

        先独立一个方法，根据值来查询节点，一开始的循环节点为 sentinel.next ，对于 sentinel 里面的值是什么根本不在乎的。循环终止条件为：p == sentinel 已经转完一圈了。找到就返回该节点，找不到就返回 null 。删除的原理是一样的，得先找到三个节点，然后把前后节点直接关联起来。

代码如下：

    //根据值来删除节点private Node findValue (int value) {for (Node p = sentinel.next; p != sentinel; p = p.next) {if (p.value == value) {return p;}}return null;}public void removeValue (int value) {Node remove = findValue(value);if (remove == null) {throw new RuntimeException("找不到该数据来删除相对应的节点");}Node prev = remove.prev;Node next = remove.next;prev.next = next;next.prev = prev;}

        需要注意的是，当接收到的节点为 null 时，需要抛出异常，找不到对应该值的节点。

        4.0 环形双链表完整的实现代码

import java.util.Iterator;public class MyAnnularDoubleList implements Iterable<Integer>{private final Node sentinel;private static class Node {public Node prev;public int value;public Node next;public Node(Node prev, int value, Node next) {this.prev = prev;this.value = value;this.next = next;}}public MyAnnularDoubleList() {sentinel = new Node(null,0,null);sentinel.prev = sentinel;sentinel.next = sentinel;}//头插节点public void addFirst(int value) {Node hand = sentinel;Node tail = sentinel.next;Node addNode = new Node(hand,value,tail);hand.next = addNode;tail.prev = addNode;}//尾插节点public void addLast(int value) {Node prev = sentinel.prev;Node next = sentinel;Node addNode = new Node(prev,value,next);prev.next = addNode;next.prev = addNode;}//头删节点public void removeFirst() {Node remove = sentinel.next;if (remove == sentinel) {throw new RuntimeException("删除失败！");}Node next = remove.next;sentinel.next = next;next.prev = sentinel;}//尾删节点public void removeLast() {Node remove = sentinel.prev;Node prev = remove.prev;prev.next = sentinel;sentinel.prev = prev;}//根据值来删除节点private Node findValue (int value) {for (Node p = sentinel.next; p != sentinel; p = p.next) {if (p.value == value) {return p;}}return null;}public void removeValue (int value) {Node remove = findValue(value);if (remove == null) {throw new RuntimeException("找不到该数据来删除相对应的节点");}Node prev = remove.prev;Node next = remove.next;prev.next = next;next.prev = prev;}//实现迭代器@Overridepublic Iterator<Integer> iterator() {return new Iterator<Integer>() {Node p = sentinel.next;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != sentinel;}@Overridepublic Integer next() {int value = p.value;p = p.next;return value;}};}
}