今日目录:
1:能够说出链表的存储结构和特点
2:能够说出链表的几种分类及各自的存储结构
3:能说出链表和数组的差异
4:完成实战演练题目
5:完成综合案例
1、概念及存储结构
问题:思考一下动态数组ArrayList存在哪些弊端?
1:插入,删除时间复杂度高
2:可能会造成内存空间的大量浪费
3:需要一块连续的存储空间,对内存的要求比较高,比如我们要申请一个1000M的数组,如果内存中没有连续的足够大的存储空间则会申请失败,即便内存的剩余可用空间大于1000M,仍然会申请失败。
结论:能否做到用多少内存空间就申请多少内存?
链表(Linked list)是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构,链表中的每一个元素称之为结点(Node),结点之间用指针(引用)连接起来,指针的指向顺序代表了结点的逻辑顺序,结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分:一个是存储数据元素的数据域,另一个是存储下一个结点地址的指针域。
链表能解决数组不能解决的事情吗?
1:链表天生就具备动态扩容的特点,不需要像动态数组那样先申请一个更大的空间,然后将原空间内的数据拷贝到新空间;能够避免内存空的大量浪费
2:链表不需要一块连续的内存空间,它通过指针将一组零散的内存块串联起来使用,所以如果我们申请一个1000M大小的链表,只要内存剩余的可用空间大于1000M,便不会出现问题。
但是需注意:存储同样的数据,链表要比数组耗费内存!
2、链表分类
链表根据其结点之间的连接形式我们又可分为:单链表,双向链表,循环链表,双向循环链表
2.1、单链表
单链表就是我们刚刚讲到的链表的最基本的结构,链表通过指针将一组零散的内存块串联在一起。。如图所示,我们把这个记录下个结点地址的指针叫作后继指针 next ,如果链表中的某个节点为p,p的下一个节点为q,我们可以表示为:p.next=q
链表中有两个结点是比较特殊的,它们分别是第一个结点和最后一个结点。我们习惯性地把第一个结点叫作头结点,把最后一个结点叫作尾结点。其中,头结点用来记录链表的基地址,有了它,我们就可以遍历得到整条链表。而尾结点特殊的地方是:指针不是指向下一个结点,而是指向一个空地址 NULL,表示这是链表上最后一个结点。
与数组一样,链表也支持数据的查找、插入和删除操作。
在进行数组的插入、删除操作时,为了保持内存数据的连续性,需要做大量的数据搬移,所以时间复杂度是 O(n)。而在链表中插入或者删除一个数据,我们并不需要为了保持内存的连续性而搬移结点,因为链表的存储空间本身就不是连续的。所以,在链表中插入和删除一个数据是非常快速的。
如图所示,针对链表的插入和删除操作,我们只需要考虑相邻结点的指针改变,所以插入删除的时间复杂度是 O(1)。
但是,有利就有弊。链表要想随机访问第 k 个元素,就没有数组那么高效了。因为链表中的数据并非连续存储的,所以无法像数组那样,根据首地址和下标,通过寻址公式就能直接计算出对应的内存地址,而是需要根据针一个结点一个结点地依次遍历,直到找到相应的结点,所以,链表随机访问的性能没有数组好,查询的时间复杂度是O(n)。
2.2、双向链表
单向链表只有一个方向,结点只有一个后继指针 next。而双向链表,顾名思义,它支持两个方向,每个结点不止有一个后继指针 next 指向后面的结点,还有一个前驱指针 prev 指向前面的结点,如图所示
从图中可以看出来,双向链表需要额外的两个空间来存储后继结点和前驱结点的地址。所以,如果存储同样多的数据,双向链表要比单链表占用更多的内存空间。虽然两个指针比较浪费存储空间,但可以支持双向遍历,这样也带来了双向链表操作的灵活性,比如
1:可以在O(1)时间内找到给定结点的前驱节点,而对于单链表则需要O(n)的时间
2:根据索引来查找元素时可极大提升查找效率
.....
在很多场景下双向链表都比单向链表更加高效,这就是为什么在实际的软件开发中,双向链表尽管比较费内存,但还是比单链表的应用更加广泛的原因。如果你熟悉 Java 语言,你肯定用过LinkedHashMap 这个容器。如果你深入研究 LinkedHashMap 的实现原理,就会发现其中就用到了双向链表这种数据结构。
实际上,这里有一个更加重要思想就是用空间换时间的设计思想。当内存空间充足的时候,如果我们更加追求代码的执行速度,我们就可以选择空间复杂度相对较高、但时间复杂度相对很低的算法或者数据结构。相反,如果内存比较紧缺,比如代码跑在手机等存储容量小的设备上,这个时候,就要反过来用时间换空间的设计思路。比如最典型的缓存系统就是一个用空间换时间的思想。
2.3、循环链表
循环链表是一种特殊的单链表。实际上,循环链表也很简单。它跟单链表唯一的区别就在尾结点。我们知道,单链表的尾结点指针指向空地址,表示这就是最后的结点了。而循环链表的尾结点指针是指向链表的头结点。从我画的循环链表图中,你应该可以看出来,它像一个环一样首尾相连,所以叫作“循环”链表,和单链表相比,循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。当要处理的数据具有环型结构特点时,就特别适合采用循环链表,循环链表的结构如图所示
2.4、双向循环链表
了解了循环链表和双向链表,如果把这两种链表整合在一起就是一个双向循环链表
3、小结&实战
3.1、链表数组对比
数组和链表是两种截然不同的内存组织方式。正是因为内存存储的区别,它们插入、删除、随机访问操作的时间复杂度正好相反,下图表明了链表和数组在插入删除和随机访问上时间复杂度的对比
3.2、206. 反转链表
字节跳动,腾讯,阿里,美团点评最近面试题,206. 反转链表
高频题
双指针迭代
class Solution {
public ListNode reverseList(ListNode head) {
ListNode prev = null;
ListNode curr = head;
while (curr !=null) {
ListNode temp = curr.next;
curr.next = prev;
prev = curr;
curr = temp;
}
return prev;
}
}
3.3、141. 环形链表
阿里,腾讯,百度最近面试题,141. 环形链表
快慢指针
public class Solution {
public boolean hasCycle(ListNode head) {
//特殊判断
if (head == null || head.next == null) {
return false;
}
ListNode fast = head;
ListNode slow = head;
//两个指针分别下后走
while (true) {
fast = fast.next.next;
slow = slow.next;
if (fast == null || fast.next == null) {
return false;
}
if (fast == slow) {
break;
}
}
return true;
}
}
4、综合案例
4.1、需求
在学习数组的时候我们基于数组实现了一个List容器,支持数据的添加,修改,删除,查询等操作,今天学习完链表之后能够基于链表来实现一个LinkedList容器呢?
要求:
1:要求和动态数组ArrayList具备相同的功能
2:请基于双向链表实现,
4.2、实现
(1)定义接口,com.itheima.linkedlist.inf.List
,接口方法跟之前实现ArrayList时一样,只不过添加上泛型
package com.itheima.linkedlist.inf;
/**
* Created by 传智播客*黑马程序员.
*/
public interface List<E> {
/**
* 返回容器中元素的个数
* @return
*/
int size();
/**
* 判断容器是否为空
* @return
*/
boolean isEmpty();
/**
* 查询元素在容器中的索引下标
* @param o 元素对象
* @return 在容器中的下标 不存在则返回-1
*/
int indexOf(E o);
/**
* 判断容器是否包含某个特定的元素
* @param e
* @return
*/
boolean contains(E e);
/**
* 将元素添加到容器结尾
* @param e 要添加的元素
* @return 是否添加成功
*/
boolean add(E e);
/**
* 向指定位置添加元素
* @param index 位置下标
* @param element 元素对象
*/
void add(int index, E element);
/**
* 用指定的元素替换指定位置的数据
* @param index 指定的位置索引下标
* @param element 新的元素
* @return 原始的元素
*/
E set(int index, E element);
/**
* 获取指定位置的元素
* @param index 索引下标
* @return 该位置的元素
*/
E get(int index);
/**
* 移除指定位置的元素
* @param index 索引下标
* @return 被移除的元素
*/
E remove(int index);
/**
* 清除容器中所有元素
*/
void clear();
}
(2)创建接口实现:com.itheima.linkedlist.LinkedList
,实现对应接口
(3)容器要基于双向链表实现,链表是由一个一个结点构成的,因此定义链表结点对象,编写一个静态的内部类
//定义链表结点对象
private static class Node<E>{
E val;
Node<E> prev;
Node<E> next;
//定义构造
public Node(Node<E> prev,E val,Node<E> next){
this.prev = prev;
this.val = val;
this.next = next;
}
}
(4)定义相关的成员变量
//定义容器中元素的个数
int size;
//定义链表的头结点
Node<E> first;
//定义链表的尾结点
Node<E> last;
(5)完成size,isEmpty,indexOf,contains
等方法的编写
@Override
public int size() {
return size;
}
@Override
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
@Override
public int indexOf(E o) {
int index = 0;
//分情况 o是否为null,为null和不为null判断的方式不一样,null是用==,不为null用equals
if (o == null) {
for ( Node x = first;x!=null;x=x.next) {
if (x.val == null) {
return index;
}
index++;
}
}else {
for ( Node x = first;x!=null;x=x.next) {
if (o.equals(x.val)) {
return index;
}
index++;
}
}
return -1;
}
@Override
public boolean contains(E e) {
return indexOf(e) != -1;
}
(6)完成add
方法的编写
@Override
public boolean add(E e) {
//添加是将元素值添加到链表尾部
linkLast(e);
return true;
}
private void linkLast(E e) {
Node l = last;
Node newNode = new Node(l,e,null);
last = newNode;
if (l==null) {
//第一次添加
first = newNode;
}else {
l.next = newNode;
}
size++;
}
@Override
public void add(int index, E element) {
//检查索引
checkIndex(index);
if (index == size) {
linkLast(element);
}else {
linkBefore(element,node(index));
}
}
/**
* 在指定结点前添加一个元素
* @param element
* @param node
*/
private void linkBefore(E element, Node<E> node) {
Node<E> prev = node.prev;
Node<E> newNode = new Node<E>(prev,element,node);
node.prev = newNode;
if (prev == null) {
first = newNode;
}else {
prev.next = newNode;
}
size++;
}
/**
* 查找索引为index的结点
* @param index
* @return
*/
private Node<E> node(int index){
//折半查找
if ( index < (size >> 1)) {
//从头开始查找
Node<E> f = first;
for (int i = 0;i< index;i++) { //i<index注意不能是i<=index 因为当i=index-1时 f=f.next其实f已经指向了索引为index位置的元素了
f = f.next;
}
return f;
}else {
//从尾开始查找
Node<E> l = last;
for (int i=size-1;i> index;i--) {//同上
l = l.prev;
}
return l;
}
}
private void checkIndex(int index) {
if (index < 0 || index > size) {
throw new IndexOutOfBoundsException(\"index\"+index+\",size=\"+size);
}
}
(7)完成set,get
方法的编写
/**
* 替换指定索引位置的元素
* @param index 指定的位置索引下标
* @param element 新的元素
* @return
*/
@Override
public E set(int index, E element) {
isElementIndex(index);
Node<E> oldNode = node(index);
E oldVal = oldNode.val;
oldNode.val = element;
return oldVal;
}
private void isElementIndex(int index) {
if (index < 0 || index >=size) {
throw new IndexOutOfBoundsException(\"index=\"+index+\",size=\"+size);
}
}
@Override
public E get(int index) {
isElementIndex(index);
return node(index).val;
}
(8)完成remove
方法的编写
@Override
public E remove(int index) {
isElementIndex(index);
Node<E> node = node(index);
return unlink(node);
}
private E unlink(Node<E> node) {
Node<E> prev = node.prev;
Node<E> next = node.next;
E val = node.val;
node.val = null;
//node是头结点
if (prev == null) {
first = next;
}else {
prev.next = next;
node.prev = null;
}
//node是尾结点
if (next == null) {
last = prev;
}else {
next.prev = prev;
node.next = null;
}
size--;
return val;
}
(9)完成clear,toString
方法的编写
@Override
public void clear() {
for (Node l = first;l!=null;) {
Node next = l.next;
l.val = null;
l.prev = null;
l.next = null;
l = next;
}
first = last = null;
size=0;
}
@Override
public String toString() {
//输出 1->2->Null格式的数据
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
for (Node l=first;l!=null;l = l.next) {
stringBuilder.append(l.val).append(\"->\");
}
stringBuilder.append(\"Null\");
return stringBuilder.toString();
}
(10)编写测试类:com.itheima.linkedlist.LinkedListTest
public static void main(String[] args) {
List list = new LinkedList();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
System.out.println(\"容器内元素为:\"+list); // 1->2->3->Null
System.out.println(\"容器内元素个数:\"+list.size()+\"容器是否为空:\"+list.isEmpty());
System.out.println(\"容器中是否包含3:\"+list.contains(3));
list.add(0,4);// 4->1->2->3->Null
System.out.println(\"容器内元素为:\"+list);
list.add(3,5);//4->1->2->5->3->Null
System.out.println(\"容器内元素为:\"+list);
list.add(2,6);//4->1->6->2->5->3->Null
System.out.println(\"容器内元素为:\"+list);
System.out.println(\"获取索引为0的元素:\"+list.get(0));
System.out.println(\"获取索引为5的元素:\"+list.get(5));
System.out.println(\"获取索引为2的元素:\"+list.get(2));
list.remove(0);//1->6->2->5->3->Null
System.out.println(\"容器内元素为:\"+list);
list.remove(3);//1->6->2->3->Null
System.out.println(\"移除后容器内元素为:\"+list);
list.clear();
System.out.println(\"清空后为:\"+list);
}
查看输出结果!
容器内元素为:1->2->3->Null
容器内元素个数:3容器是否为空:false
容器中是否包含3:true
容器内元素为:4->1->2->3->Null
容器内元素为:4->1->2->5->3->Null
容器内元素为:4->1->6->2->5->3->Null
获取索引为0的元素:4
获取索引为5的元素:3
获取索引为2的元素:6
容器内元素为:1->6->2->5->3->Null
移除后容器内元素为:1->6->2->3->Null
清空后为:Null
本文由传智教育博学谷 - 狂野架构师教研团队发布
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