链表(LinkedList)

链表可能是继数组之后第二种使用最广泛的通用存储结构。

单链表
双端链表
有序链表
双向列表
有迭代器的列表

链表与数组一样，都作为数据的基本存储结构，但是在存储原理上二者是不同的。在数组中，数据是存储在一段连续的内存空间中，我们可以通过下标来访问数组中的元素；而在链表中，元素是存储在不同的内存空间中，前一个元素的位置维护了后一个元素在内存中的地址，在Java中，就是前一个元素维护了后一个元素的引用。在本教程我们，我们将链表中的每个元素称之为一个节点(Node)。对比数组，链表的数据结构可以用下图表示

这张图显示了一个链表的数据结构，链表中的每个Node都维护2个信息：一个是这个Node自身存储的数据Data，另一个是下一个Node的引用，图中用Next表示。对于最后一个Node，因为没有下一个元素了，所以其并没有引用其他元素，在图中用紫色框来表示。

这张图主要显示的是链表中Node的内部结构和Node之间的关系。一般情况下，我们在链表中还要维护第一个Node的引用，原因是在链表中访问数据必须通过前一个元素才能访问下一个元素，如果不知道第一个Node的话，后面的Node都不可以访问。事实上，对链表中元素的访问，都是从第一个Node中开始的，第一个Node是整个链表的入口；而在数组中，我们可以通过下标进行访问元素。

Node.Java：

public class Node {
//Node中维护的数据
private Object data;
//下一个元素的引用
private Node next;
// setters and getters
}

一、单链表Java实现

本节介绍单链表的Java实现，我们用SingleLinkList来表示。

分析：

1、SingleLinkList中要维护的信息：维护第一个节点(firstNode)的引用，作为整个链表的入口；

2、插入操作分析：基于链表的特性，插入到链表的第一个位置是非常快的，因为只要改变fisrtNode的引用即可。因此对于单链表，我们会提供addFirst方法。

3、查找操作分析：从链表的fisrtNode开始进行查找，如果确定Node中维护的data就是我们要查找的数据，即返回，如果不是，根据next获取下一个节点，重复这些步骤，直到找到最后一个元素，如果最后一个都没找到，返回null。

4、删除操作分析

首先查找到要删除的元素节点，同时将这个节点的上一个节点和下一个节点也要记录下来，只要将上一个节点的next引用直接指向下一个节点即可，这就相当于删除了这个节点。如果要删除的是第一个节点，直接将LinkList的firstNode指向第二个节点即可。如果删除的是最后一个节点，只要将上一个节点的next引用置为null即可。上述分析，可以删除任意节点，具有通用性但是效率较低。通常情况下，我们还会提供一个removeFirst方法，因为这个方法效率较高，同样只要改变fisrtNode的引用即可。

此外，根据情况而定，可以选择是否要维护链表中元素的数量size，不过这不是实现一个链表必须的核心特性。

SingleLinkList.java

public class SingleLinkList<T> {
//链表中第一个节点
protected Node firstNode=null;
//链表中维护的节点总量
protected int size;
/**
* 添加到链表的最前面
* @param element
*/
public void addFirst(T element){
Node node=new Node();
node.setData(element);
Node currentFirst=firstNode;
node.setNext(currentFirst);
firstNode=node;
size++;
}
/**
* 如果链表中包含要删除的元素，删除第一个匹配上的要删除的元素，并且返回true;
* 如果没有找到要删除的元素，返回false
* @param element
*/
public boolean remove(T element){
if(size==0){
return false;
}
if(size==1){
firstNode=null;
size--;
}
Node pre=firstNode;
Node current=firstNode.getNext();
while(current!=null){
/*如果当前节点中维护的值就是要删除的值，
直接将上一个节点pre的next应用指向当前节点current的下一个节点接口*/
if((current.getData()==null&&element==null)
||(current.getData().equals(element))){
pre.setNext(current.getNext());
size--;
return true;
}
//如果当前元素不是要删除的元素，继续循环
pre=current;
current=current.getNext();
}
return false;
}
/**
* 如果包含返回true，如果不包含，返回false
* @param element
* @return
*/
public boolean contains(Object element){
if(size==0){
return false;
}
Node current=firstNode;
while(current!=null){
if((current.getData()==null&&element==null)
||(current.getData().equals(element))){
return true;
}
//如果当前元素不是要删除的元素，继续循环
current=current.getNext();
}
return false;
}
public boolean isEmpty(){
return size==0;
}
public int size(){
return size;
}
/**
* 打印出所有的元素
*/
public void display(){
if(!isEmpty()){
Node current=firstNode;
while(current!=null){
System.out.print(current.getData()+" ");
current=current.getNext();
}
}
}
/**
* 删除第一个元素
*/
public T removeFisrt() {
Node result=null;
if(size!=0) {
result = firstNode.getNext();
firstNode= result;
return (T) result.getData();
}
return null;
}
public T getFirst() {
return (T) firstNode.getData();
}
}

测试添加addFirst

@Test
public void testAddFisrt() {
SingleLinkList<Integer> linkList=new SingleLinkList<Integer>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
linkList.addFirst(i);
}
linkList.display();
}

控制台输出：

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

因为总是添加到最前面，因此时降序的。

需要注意的是：在本案例中，不能同时调用addFirst，addLast。因为我们在addFirst方法中并没有维护lastNode的信息，因此同时使用这两种方法可能会出错，有待继续完善。

测试删除任意元素：

@Test
public void testRemove() {
SingleLinkList<Integer> linkList=new SingleLinkList<Integer>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
linkList.addFirst(i);
}
if(!linkList.isEmpty()){
linkList.remove(5);
}
linkList.display();
}

控制要输出：

0 1 2 3 4 6 7 8 9

可以看到5的确没有了

测试删除第一个元素：

@Test
public void testRemoveFisrt() {
SingleLinkList<Integer> linkList=new SingleLinkList<Integer>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
linkList.addFirst(i);
}
linkList.removeFisrt();
linkList.display();
}

控制台输出：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

测试包含：

@Test
public void testContains() {
SingleLinkList<Integer> linkList=new SingleLinkList<Integer>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
linkList.addFirst(i);
}
System.out.println(linkList.contains(5));
System.out.println(linkList.contains(10));
}

控制台输出：

true
false

结果显示，包含5，不包含10.

二、双端链表Java实现

本节介绍双端链表的Java实现，我们用DoubleLinkJava来表示。

双端链表与传统的链表非常类似，但是它有一个新增的特性：即对链表中最后一个节点的引用lastNode。我们可以像在单链表中在表头插入一个元素一样，在链表的尾端插入元素。如果不维护对最后一个节点的引用，我们必须要迭代整个链表才能得到最后一个节点，然后再插入，效率很低。因此我们在双链表中添加一个addLast方法，用于添加节点到末尾。

addLast方法分析：直接将链表中维护的lastNode的next引用指向新的节点，再将lastNode的引用指向新的节点即可。

因为单链表中，大部分的代码在双端链表中都可以重用，所以此处我们编写的DoubleLinkList只要继承SingleLinkList，添加必要的属性和方法支持从尾部操作即可。

DoubleLinkList.java

package com.tianshouzhi.algrithm.list;
public class DoubleLinkList<T> extends SingleLinkList<T>{
//链表中的最后一个节点
protected Node lastNode=null;
/**
* 添加到链表的最后
* @param element
*/
public void addLast(T element){
Node node=new Node();
node.setData(element);
if(size==0){//说明没有任何元素，说明第一个元素
firstNode=node;
}else{//如果有元素，将最后一个节点的next指向新的节点即可
/*这里有一个要注意的地方：
当size=1的时候，firstNode和lastNode指向同一个引用
因此lastNode.setNext时，fisrtNode的next引用也会改变;
当size!=1的时候，lastNode的next的改变与firstNode无关*/
lastNode.setNext(node);
}
//将lastNode引用指向新node
lastNode=node;
size++;
}
/**
* 当链表中没有元素时，清空lastNode引用
*/
@Override
public boolean remove(T element) {
boolean result=super.remove(element);
if(size==0){
lastNode=null;
}
return result;
}
/**
* 因为在SingleLinkList中并没有维护lastNode的信息，我们要自己维护
*/
@Override
public Node addFirst(T element) {
Node node=super.addFirst(element);
if(size==1){//如果链表为size为1，将lastNode指向当前节点
lastNode=node;
}
return node;
}
}

测试addLast

@Test
public void testAddFisrt() {
DoubleLinkList<Integer> linkList=new DoubleLinkList<Integer>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
linkList.addFirst(i);
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
linkList.addLast(i);
}
linkList.display();
}

控制台输出：

4 3 2 1 0 0 1 2 3 4

从输出中我们可以到，前五个元素因为是addFirst添加的，所以是降序的，而后面五个元素是addLast添加的，所以是升序的。

三、有序链表Java实现

本节讲解有序链表，使用SortedLinkList表示。

所谓有序链表，就是链表中Node节点之间的引用关系是根据Node中维护的数据data的某个字段为key值进行排序的。

为了在一个有序链表中插入，算法必须首先搜索链表，直到找到合适的位置：它恰好在第一个比它大的数据项前面。

当算法找到了要插入的数据项的位置，用通常的方式插入数据项：把新的节点Node指向下一个节点，然后把前一个节点Node的next字段改为指向新的节点。然而，需要考虑一些特殊情况，连接点有可能插入在表头或者表尾。

在本例中，我们创建一个类Person表示插入的数据，我们希望链表中数据是按照Person的enName属性升序排列的。

三、Java中的双端链表实现LinkedList

java中已经提供了双端链表的实现，java.util.LinkedList，以下是这个类部分方法摘要，相信不需要介绍，根据方法名字，你就可以知道其含义：

public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
public E getFirst() ;
public E getLast() ;
public E removeFirst();
public E removeLast();
public void addFirst(E e);
public void addLast(E e);
public boolean contains(Object o);
public int size();
public boolean add(E e);//等价于addLast
public boolean remove(Object o);
public void clear() ;
....
}