数据结构----链表介绍、模拟实现链表、链表的使用

1. ArrayList存在的问题

1. ArrayList底层使用连续的空间，任意位置插入或删除元素时，需要将该位置后序元素整体往前或者往后搬移，故时间复杂度为O(N)
2. 增容需要申请新空间，拷贝数据，释放旧空间。会有不小的消耗。
3. 增容一般是呈2倍的增长，势必会有一定的空间浪费。例如当前容量为100，满了以后增容到200，我们再继续插入了5个数据，后面没有数据插入了，那么就浪费了95个数据空间。

由于其底层是一段连续空间，当在ArrayList任意位置插入或者删除元素时，就需要将后序元素整体往前或者往后搬移，时间复杂度为O(n)，效率比较低，因此ArrayList不适合做任意位置插入和删除比较多的场景。因此：java集合中又引入了LinkedList，即链表结构。

2. 链表定义

2.1 链表的概念及结构

链表是一种常见的数据结构，它由一系列节点组成，每个节点包含两部分：数据元素 (value) 和指向下一个节点的指针 ( next 域 )。通过这些节点的连接，可以形成一个链式结构。

【单个节点】：

节点（Node）：链表的基本单元，包含数据域和next指针域。数据域可以是任意类型的数据，指针指向下一个节点。每个节点都是一个对象。

【节点组成的链式结构】：

结论： 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 。

2.2 链表的组合类型

1、单向或者双向

根据节点的指针数量，链表可以分为单向链表和双向链表。
单向链表每个节点只有一个指针，指向下一个节点；

双向链表每个节点有两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。

2、带头或者不带头

带头节点的链表在第一个节点之前有一个额外的头节点，用于标识链表的起始位置。（head的value是无意义的，如果想从最开头插入数据时，head是不可变的，从head后面插入）

不带头节点的链表则直接以第一个节点作为链表的起始位置。（head是第一个节点，有value的，如果想从最开头插入数据时，head是可变的，变成新插入的节点）

3、是否循环：

循环链表是在链表的尾部节点和头部节点之间形成一个循环连接，使得链表的最后一个节点指向头部节点。

结合上述结构可以组合出8中链表种类：
单向、带头节点、非循环链表
单向、带头节点、循环链表

单向、不带头节点、非循环链表（重点）
单向、不带头节点、循环链表

双向、不带头节点、非循环链表（重点）
双向、不带头节点、循环链表

双向、带头节点、非循环链表
双向、带头节点、循环链表

3. 链表的实现

3.1 单向、不带头、非循环链表的实现

1. 节点的定义

	//静态内部类定义节点public static class ListNode {public int data;//数据域public ListNode next;//指向下一个节点public ListNode(int data) {this.data = data;}}public ListNode head; // 表示当前链表的头节点 方便找到链表的第一个元素

2. 创建链表（穷举法）

public void createLinkedList() {ListNode node1 = new ListNode(12);ListNode node2 = new ListNode(23);ListNode node3 = new ListNode(34);ListNode node4 = new ListNode(45);ListNode node5 = new ListNode(56);//把链表的节点连起来node1.next = node2;node2.next = node3;node3.next = node4;node4.next = node5;//使用head节点来记录链表的入口this.head = node1;}

使用debug，发现所有节点链接起来了

之后，可以使用head节点，获取所有的节点

3. 打印链表

（1） 怎么从一个节点走向下一个节点
移动head，走向下一个节点，使用head = head.next;就可以实现

（2）怎么判断所有节点都遍历完
当head指向null时，则所有节点遍历完毕

 public void display() {ListNode cur = this.head;//防止其他方法无法使用head，无法找到链表的第一个元素，使用临时变量curwhile (cur != null) {//当cur指向null时，则所有节点遍历完，循环结束System.out.print(cur.value + " ");cur = cur.next;//不断移动cur指向下一个节点}System.out.println();}

4. 头插法添加数据

头插法插入数据分为三步：
（1）实例化一个节点
（2）改变插入结点的next指向原来链表的第一个节点
（3）改变head指向新节点

@Overridepublic void addFirst(int data) {ListNode listNode = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = listNode;} else {listNode.next = this.head;this.head = listNode;}}

4. 尾插法添加数据

尾插法添加数据分为二步：
（1）实例化一个节点
（2）找到最后一个节点
（3）将链表的原来的最后一个节点指向新的节点

public void addLast(int data) {ListNode listNode = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = listNode;} else {ListNode cur = this.head;while (cur.next != null) {cur = cur.next;}cur.next = listNode;}}

【小总结】：

• 如果想让cur指向最后一个节点的位置，使用cur.next == null
  
• 如果想把整个链表遍历完成，那么就是cur == null
  

5.任意位置插入,第一个数据节点为0号下标

在链表随意位置插入数据分为四步：
（1）找到该节点要插入位置的前一个节点cur（前一个节点的原因，可以由前一个节点得到后一个节点，无法无法从后一个节点得到前一个结点),让cur走index-1步。
（2）实例化一个节点
（3）让新插入的节点的next指向要插入位置的节点,listNode.next = cur.next;
（4）让要插入位置的前一个节点cur的next指向新节点,cur.next = listNode;
注意：（3）和（4）的顺序要正确，再插入一个节点时，一定要先绑定后面这个节点

 public void addIndex(int index, int data) {if(index<0||index>size()){//要先判断index的合法性throw new  IndexOutOfBounds("链表下标越界");//自定义异常链表下标越界}if(index == 0){//在第一个位置插入，使用头插法的方法addFirst(data);}else if(index == size()){//在最后一个位置插入，使用尾插法的方法addLast(data);}else {//在中间位置插入ListNode listNode = new ListNode(data);//要插入的节点ListNode cur = searchPrev(index);//要插入位置的前一个节点listNode.next = cur.next;cur.next = listNode;}}private ListNode searchPrev(int index){ListNode cur = this.head;int count = 0;while (count != index -1){cur = cur.next;count++;}return cur;}

6. 删除第一次出现关键字为key的节点
   删除链表中的节点分为三步：
   （1）找到要删除节点的前一个节点cur
   （2） 标记要删除的要素（也可以不要这一步）ListNode del = cur.next；
   （3）让cur的next指向要删除的节点的下一个节点（要删除的节点没有被引用，JVM会自动回收）
   
   在第一步中找到要删除节点的前一个节点cur，需要找到cur.next.value 和 key的值相等的节点，如果是引用类型时，现需要使用equals（）方法，而不是==
   
   还有一种情况，当要删除的数据是第一个节点时，只需要让head指向第二个节点即可做到删除第一个节点
   

 	public void remove(int key) {//当要删除的数据是第一个节点if (this.head.value == key) {this.head = this.head.next;} else {//找到前驱ListNode cur = getPrev(key);//判断前驱是否存在if (cur == null) {System.out.println("要删除的数字不存在");} else {//删除节点ListNode del = cur.next;cur.next = del.next;}}}private ListNode getPrev(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {if (cur.next.value == key) {return cur;}cur = cur.next;}return null;}

7. 删除所有值为key的节点

删除所有值为key的节点分为三步：
（1）遍历链表，找到要删除节点cur
（2） 让cur的上一个节点指向cur的下一个节点，删除cur
（3）继续遍历链表，找到所有与key相等的节点，重复（1）（2）步骤，直至遍历完链表

还有要考虑一种情况，当要删除的数据是第一个节点时，只需要让head指向第二个节点即可做到删除第一个节点

public void removeAllKey(int key) {if(this.head == null){return;}ListNode prev = this.head;ListNode cur = this.head.next;while (cur != null) {if (cur.value == key) {prev.next = cur.next;cur = cur.next;} else {prev = cur;cur = cur.next;}}if (this.head.value == key) {this.head = this.head.next;return;}}

8. 清空链表

清空链表分为两种方式：
方式一：直接将head置为null（不推荐）
方式二：遍历节点，将每个节点的数值域和next域置为空

public void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curNext = cur.next;
//            cur.value = null;//  引用类型value要置为nullcur.next = null;cur = curNext;}this.head = null;}

完整代码：
ILst接口：

public interface IList {//头插法public void addFirst(int data);//尾插法public void addLast(int data);//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标public void addIndex(int index, int data);//查找是否包含关键字key是否在单链表当中public boolean contains(int key);//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key);//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key);//得到单链表的长度public int size();public void clear();public void display();
}

自定义异常IndexOutOfBounds类

public class IndexOutOfBounds extends RuntimeException{public IndexOutOfBounds(String message) {super(message);}
}

MyLinkedList类：

public class MyLinkedList implements IList {//静态内部类public static class ListNode {public int value;public ListNode next;public ListNode(int value) {this.value = value;}}public ListNode head; //方便找到链表的第一个元素public void createLinkedList() {ListNode node1 = new ListNode(12);ListNode node2 = new ListNode(23);ListNode node3 = new ListNode(34);ListNode node4 = new ListNode(45);ListNode node5 = new ListNode(56);//把表节点连起来node1.next = node2;node2.next = node3;node3.next = node4;node4.next = node5;//使用head节点来记录链表的入口this.head = node1;}//头插法@Overridepublic void addFirst(int data) {ListNode listNode = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = listNode;} else {listNode.next = this.head;this.head = listNode;}}//尾插法@Overridepublic void addLast(int data) {ListNode listNode = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = listNode;} else {ListNode cur = this.head;while (cur.next != null) {cur = cur.next;}cur.next = listNode;}}@Overridepublic void addIndex(int index, int data) {if (index < 0 || index > size()) {//要先判断index的合法性throw new IndexOutOfBounds("链表下标越界");//自定义异常链表下标越界}if (index == 0) {//在第一个位置插入，使用头插法的方法addFirst(data);} else if (index == size()) {//在最后一个位置插入，使用尾插法的方法addLast(data);} else {//在中间位置插入ListNode listNode = new ListNode(data);//要插入的节点ListNode cur = searchPrev(index);//要插入位置的前一个节点listNode.next = cur.next;cur.next = listNode;}}private ListNode searchPrev(int index) {ListNode cur = this.head;int count = 0;while (count != index - 1) {cur = cur.next;count++;}return cur;}@Overridepublic boolean contains(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {if (cur.value == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}@Overridepublic void remove(int key) {if (this.head.value == key) {this.head = this.head.next;} else {ListNode cur = getPrev(key);if (cur == null) {System.out.println("要删除的数字不存在");} else {ListNode del = cur.next;cur.next = del.next;}}}private ListNode getPrev(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {if (cur.next.value == key) {return cur;}cur = cur.next;}return null;}@Overridepublic void removeAllKey(int key) {if (this.head == null) {return;}ListNode prev = this.head;ListNode cur = this.head.next;while (cur != null) {if (cur.value == key) {prev.next = cur.next;cur = cur.next;} else {prev = cur;cur = cur.next;}}if (this.head.value == key) {this.head = this.head.next;return;}}@Overridepublic int size() {int count = 0;ListNode cur = this.head;while (cur != null) {cur = cur.next;count++;}return count;}@Overridepublic void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curNext = cur.next;
//            cur.value = null;cur.next = null;cur = curNext;}this.head = null;}@Overridepublic void display() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {System.out.print(cur.value + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}
}

3.2 双向、不带头节点、非循环链表的实现

1. 结点的定义

    static class ListNode {public int val;//数值域public ListNode next;//指针域，指向下一个节点public ListNode prev;//指针域，指向前一个节点public ListNode(int val) {this.val = val;}}

2. 头插法
第一步：让新插入的next 指向head节点
第二步：让head节点的prev指向新插入的节点
第三步：让head指向新插入的节点

 public void addFirst(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if(head == null){head = node;last = node;}else {node.next = head;head.prev = node;head = node;}}

3. 尾插法
   第一步：让last节点的next指向新插入的节点
   第二步：让新插入的prev指向last节点
   第三步：让last指向新插入的节点
   

 public void addLast(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;} else {last.next = node;node.prev = last;last = node;}}

4. 在指定位置插入元素
   第一步：判断要插入的位置是否合法（0<=index<=链表的长度）
   第二步：判断要插入的节点是否在0位置，如果在0位置，那么就使用头插法
   第三步：判断要插入的节点是否在最后一个位置，如果在最后一个位置，那么就使用尾插法
   第四步：如果要在中间插入，需要插入位置前一个节点的next域指向新节点，新节点的next域指向插入位置的原来的节点，新节点的prev域指向需要插入位置前一个节点，需要插入位置的原来的节点的prev域指向新节点，改变四个指针域的指向便可以将新节点插入需要插入的位置。
   

	public void addIndex(int index, int data) {int len = size();//index小于0，或者大于链表的长度，插入位置不合法if (index < 0 || index > len) {throw new IndexOutOfBounds("要插入的位置小于0或者超过链表的长度，该位置不合法");}//如果在第一个节点插入，使用头插法if (index == 0) {addFirst(data);return;}//如果在最后一个节点插入，使用尾插法if (index == len) {addLast(data);return;}//中间位置//获取要插入的位置的节点ListNode cur = getNode(index);//新插入的节点ListNode node = new ListNode(data);//在中间位置插入节点元素ListNode prev = cur.prev;prev.next = node;node.next = cur;node.prev = prev;cur.prev = node;}public ListNode getNode(int index) {ListNode cur = this.head;while (index != 0) {index--;cur = cur.next;}return cur;}

5.删除指定节点
总共分为三种情况，分别如下：



特殊情况：还需要考虑一种特殊情况，当量表中只存在一个节点，并且该结点时需要删除的节点的情况

    public void  remove(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {//判断是否找到目标节点if(cur.val == key) {//要删除的节点是头节点的情况if(cur == head) {head = head.next;//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表，last需要置为nullif(head == null) {last = null;}else {//链表中不止一个节点，需要将头节点的prev置为nullhead.prev = null;}return;}//要删除的节点是尾节点的情况if(cur == last) {cur.prev.next = cur.next;last = last.prev;return;}//要删除的节点是中间的节点的情况cur.prev.next = cur.next;cur.next.prev = cur.prev;return;}else {cur = cur.next;}}System.out.println("该节点不存在");}

6. 链表置空
   方式一：

		head=null; last=null;

方式二：
1.使用cur局部变量，遍历链表，将每一个节点都置为null
2.将头节点和尾节点置为空

public void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curNext = cur.next;//如果是引用类型，还需要将数值域置为空
//            cur.val = null;cur.prev = null;cur.next = null;cur = curNext;}head = null;last = null;}

【完整代码】：
双向、不带头节点、非循环链表的实现：LinkedList .class

public class LinkedList2 implements IList {static class ListNode {public int val;//数值域public ListNode next;//指针域，指向下一个节点public ListNode prev;//指针域，指向前一个节点public ListNode(int val) {this.val = val;}}public ListNode head;public ListNode last;@Overridepublic void addFirst(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;} else {node.next = head;head.prev = node;head = node;}}@Overridepublic void addLast(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;} else {last.next = node;node.prev = last;last = node;}}@Overridepublic void addIndex(int index, int data) {int len = size();//index小于0，或者大于链表的长度，插入位置不合法if (index < 0 || index > len) {throw new IndexOutOfBounds("要插入的位置小于0或者超过链表的长度，该位置不合法");}//如果在第一个节点插入，使用头插法if (index == 0) {addFirst(data);return;}//如果在最后一个节点插入，使用尾插法if (index == len) {addLast(data);return;}//中间位置//获取要插入的位置的节点ListNode cur = getNode(index);//新插入的节点ListNode node = new ListNode(data);//在中间位置插入节点元素ListNode curPrev = cur.prev;curPrev.next = node;node.next = cur;node.prev = curPrev;cur.prev = node;}public ListNode getNode(int index) {ListNode cur = this.head;while (index != 0) {index--;cur = cur.next;}return cur;}@Overridepublic boolean contains(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}@Overridepublic void remove(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {//判断是否找到目标节点if (cur.val == key) {//要删除的节点是头节点的情况if (cur == head) {head = head.next;//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表，last需要置为nullif (head == null) {last = null;} else {//链表中不止一个节点，需要将头节点的prev置为nullhead.prev = null;}} else if (cur == last) {//要删除的节点是尾节点的情况cur.prev.next = cur.next;last = last.prev;} else {//要删除的节点是中间的节点的情况cur.prev.next = cur.next;cur.next.prev = cur.prev;}return;} else {cur = cur.next;}}System.out.println("该节点不存在");}@Overridepublic void removeAllKey(int key) {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {//判断是否找到目标节点if (cur.val == key) {//要删除的节点是头节点的情况if (cur == head) {head = head.next;//链表中只有头节点一个节点,删除之后链表为空链表，last需要置为nullif (head == null) {last = null;} else {//链表中不止一个节点，需要将头节点的prev置为nullhead.prev = null;}} else if (cur == last) {//要删除的节点是尾节点的情况cur.prev.next = cur.next;last = last.prev;} else {//要删除的节点是中间的节点的情况cur.prev.next = cur.next;cur.next.prev = cur.prev;}cur = cur.next;}System.out.println("该节点不存在");}}@Overridepublic int size() {int count = 0;ListNode cur = head;while (cur != null) {cur = cur.next;count++;}return count;}@Overridepublic void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curNext = cur.next;
//            cur.val = null;cur.prev = null;cur.next = null;cur = curNext;}head = null;last = null;}@Overridepublic void display() {ListNode cur = head;while (cur != null) {System.out.print(cur.val + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}
}

4.LinkedList的使用

4.1 什么是LinkedList

LinkedList 的官方文档
LinkedList的底层是双向链表结构(链表后面介绍)，由于链表没有将元素存储在连续的空间中，元素存储在单独的节点中，然后通过引用将节点连接起来了，因此在在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，效率比较高。

在集合框架中，LinkedList也实现了List接口，具体如下：

【说明】

1. LinkedList实现了List接口
2. LinkedList的底层使用了双向链表
3. LinkedList没有实现RandomAccess接口，因此LinkedList不支持随机访问
4. LinkedList的任意位置插入和删除元素时效率比较高，时间复杂度为O(1)
5. LinkedList比较适合任意位置插入的场景

4.2 LinkedList的使用

4.2.1. LinkedList的构造

方法	解释
LinkedList()	无参构造
public LinkedList(Collection<? extends E> c)	使用其他集合容器中元素构造List

public static void main(String[] args) {// 构造一个空的LinkedListList<Integer> list1 = new LinkedList<>();List<String> list2 = new java.util.ArrayList<>();list2.add("JavaSE");list2.add("JavaWeb");list2.add("JavaEE");// 使用ArrayList构造LinkedListList<String> list3 = new LinkedList<>(list2);
}

4.2.2. LinkedList的其他常用方法介绍

方法	解释
boolean add(E e)	尾插 e
void add(int index, E element)	将 e 插入到 index 位置
boolean addAll(Collection<? extends E> c)	尾插 c 中的元素
E remove(int index)	删除 index 位置元素
boolean remove(Object o)	删除遇到的第一个 o
E get(int index)	获取下标 index 位置元素
E set(int index, E element)	将下标 index 位置元素设置为 element
void clear()	清空
boolean contains(Object o)	判断 o 是否在线性表中
int indexOf(Object o)	返回第一个 o 所在下标
int lastIndexOf(Object o)	返回最后一个 o 的下标
List subList(int fromIndex, int toIndex)	截取部分 list

public static void main(String[] args) {LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();list.add(1);   // add(elem): 表示尾插list.add(2);list.add(3);list.add(4);list.add(5);list.add(6);list.add(7);System.out.println(list.size());System.out.println(list);// 在起始位置插入0list.add(0, 0);  // add(index, elem): 在index位置插入元素elemSystem.out.println(list);list.remove();         // remove(): 删除第一个元素，内部调用的是removeFirst()list.removeFirst();    // removeFirst(): 删除第一个元素list.removeLast();    // removeLast(): 删除最后元素list.remove(1);  // remove(index): 删除index位置的元素System.out.println(list);// contains(elem): 检测elem元素是否存在，如果存在返回true，否则返回falseif(!list.contains(1)){list.add(0, 1);}list.add(1);System.out.println(list);System.out.println(list.indexOf(1));   // indexOf(elem): 从前往后找到第一个elem的位置System.out.println(list.lastIndexOf(1));  // lastIndexOf(elem): 从后往前找第一个1的位置int elem = list.get(0);    // get(index): 获取指定位置元素list.set(0, 100);          // set(index, elem): 将index位置的元素设置为elemSystem.out.println(list);// subList(from, to): 用list中[from, to)之间的元素构造一个新的LinkedList返回List<Integer> copy = list.subList(0, 3);   System.out.println(list);System.out.println(copy);list.clear();              // 将list中元素清空System.out.println(list.size());
}

4.2.3. LinkedList的遍历

public static void main(String[] args) {LinkedList<Integer> list = new LinkedList<>();list.add(1);   // add(elem): 表示尾插list.add(2);list.add(3);list.add(4);list.add(5);list.add(6);list.add(7);System.out.println(list.size());//方式一： foreach遍历for (int e:list) {System.out.print(e + " ");}System.out.println();//方式二：for循环for (int i = 0;i < list.size();i++) {System.out.print(list.get(i) + " ");}System.out.println();//方式三：迭代器// 使用迭代器遍历---正向遍历ListIterator<Integer> it = list.listIterator();while(it.hasNext()){System.out.print(it.next()+ " ");}System.out.println();// 使用反向迭代器---反向遍历ListIterator<Integer> rit = list.listIterator(list.size());while (rit.hasPrevious()){System.out.print(rit.previous() +" ");}System.out.println();
}

5. ArrayList和LinkedList的区别

不同点	ArrayList	LinkedList
存储空间上	物理上一定连续	逻辑上连续，但物理上不一定连续
随机访问	支持O(1)	不支持：O(N)
头插	需要搬移元素，效率低O(N)	只需修改引用的指向，时间复杂度为O(1)
插入	空间不够时需要扩容	没有容量的概念
应用场景	元素高效存储+频繁访问	任意位置插入和删除频繁

• 如果是经常根据下标进行查找使用顺序表（ArrayList）
• 如果是经常插入和删除操作的可以使用链表（LinkedList）