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【数据结构篇】手写双向链表、单向链表（超详细）_手写链表

作者：思考机器 | 2024-02-05 17:39:06

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手写链表

文章目录

链表

1、基本介绍

  • 什么是链表？

    链表（Linked List）是用链式存储结构实现的线性表。链表示意图：

    image-20220814112509739

  • 链表的组成：数据域+引用域（数据域和引用域合称结点或元素）

    • 数据域存放数据元素自身的数据
    • 引用域存放相邻结点的地址

  • 链表的特点：

    • 链表中元素的联系依靠引用域

    • 具有线性结构的特点，链表所使用的逻辑结构是线性结构

    • 具有链式存储结构的特点，所使用的物理存储结构是链式存储

  • 链表的分类：

    • 单向链表：单链表是一种最简的链表，只有一个引用域1next

      特点：通过next可以访问到后继结点，终端结点的引用域指向null

    • 双向链表：具有两个引用域prev和next，prev用来保存前驱结点的地址，next用来保存后继结点的地址

      特点：通过next可以访问后继结点，终端结点的next指向null；通过prev可以访问到前驱节点，起始结点的prev指向null

    • 循环链表：循环链表本质是一种特殊的单向链表，只是它的终端结点指向了开始结点（也就是next存放了开始结点的地址）

      特点：所有结点都能具有前驱节点和后继结点

  • 链表的使用场景：对查找速度要求不高，但对插入和删除速度要求高时，可以使用链表。常见的比如：

2、单向链表

单向链表（简称单链表）有带头结点的单链表，也有不带头链表的单链表。

image-20220814212948169

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  • 单链表的基本操作：

    • 非空判断：判断链表中是否含有元素
    • 求表长度：获取链表中所有元素的个数
    • 插入结点：在单链表中添加一个新的结点
    • 删除结点：删除单链表中的结点
    • 取表元素：更具所给索引，确定该索引所在链表的结点
    • 定位元素：根据所给值，确定该元素所在链表的索引号
    • 修改元素：根据所给索引，修改对应的结点
    • 清空链表：清空链表中所有的元素

2.1 带头节点的单向链表

带头结点就是先固定一个头节点，用来标识链表的初始位置，它的data域不存任何东西，它的next域用来第一个结点的地址，每次遍历链表或定位结点都需要借助一个辅助变量temp来实现。

  • 插入结点示意图：

  • 删除结点示意图：

  • 修改结点示意图：

遍历经验总结：当我们想要进行的操作的结点依赖于前一个结点时，比如插入、删除、修改等操作操作，就必须从head结点开始遍历，否则会出现空指针异常；当我们想要进行的操作不依赖前一个结点时，就无须从head结点开始遍历，比如根据id获取结点，非空判断、获取链表长度、展示链表等操作。

测试类：
package com.hhxy.linkedlist;

import java.util.Scanner;

import com.hhxy.queue.ArrayQueue2;
/**
 * 单向链表测试类
 * @author ghp
 * 测试数据：
 * 1 宋江 及时雨
 * 2 林冲 豹子头
 * 3 鲁智深 花和尚
 * 4 吴用 智多星
 */
public class SingleLinkedListTest {
	public static void main(String[] args) {
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		SingleLinkedListDemo1 sll = new SingleLinkedListDemo1();//创建链表
		OUT:
		while(true) {
			System.out.println("-------------------单向链表操作界面-----------------");
			System.out.println("请输入操作指令：");
			System.out.println("0 : 退出程序");
			System.out.println("1 : 在链尾添加结点");
			System.out.println("2 : 按id从小到大的顺序添加结点");
			System.out.println("3 : 根据id获取结点");
			System.out.println("4 : 根据id删除结点");
			System.out.println("5 : 获取链表中元素的个数");
			System.out.println("6 : 展示链表中所有的元素");
			System.out.println("7 : 根据id修改结点");
			System.out.println("8 : 清空链表");
			//用于接收用户输入
			int id;
			String name="";
			String alias="";
			Student student = null;
			switch(sc.next()) {
			case "0": //退出程序
				System.out.println("正在退出程序~~~");
				break OUT;
			case "1": //在链尾添加结点
				System.out.println("请按照 id name alias 的格式输入要添加的元素：");
				id = sc.nextInt();
				name = sc.next();
				alias = sc.next();
				student = new Student(id,name,alias);
				if(sll.add(student)) System.out.println("结点："+student+"添加成功！");
				break;
			case "2"://按id从小到大的顺序添加结点
				System.out.println("请按照 id name alias 的格式输入要添加的元素：");
				id = sc.nextInt();
				name = sc.next();
				alias = sc.next();
				student = new Student(id,name,alias);
				if(sll.addById(student)) System.out.println("结点："+student+"添加成功！");
				break;
			case "3"://根据id获取结点
				System.out.println("请输入要获取结点的id号：");
				id = sc.nextInt();
				try {
					student  = sll.get(id);
					System.out.println(id+"号结点为："+student);
				}catch(Exception e){
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case "4"://根据id删除结点
				System.out.println("请输入要删除结点的id号：");
				id = sc.nextInt();
				try {
					if(sll.remove(id)) System.out.println("结点删除成功！");
				}catch(Exception e) {
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case "5"://获取链表中结点的个数（不包括头节点）
				System.out.println("链表中的结点个数为："+sll.size());
				break;
			case "6"://展示链表中所有的结点（不包括头节点）
				sll.show();
				break;
			case "7"://根据id修改结点
				System.out.println("请按照 id name alias 的格式输入要修改的元素：");
				student = new Student(sc.nextInt(),sc.next(),sc.next());
				try {
					if(sll.update(student)) System.out.println("修改成功");
				}catch(Exception e) {
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case "8"://清空链表
				if(sll.clear()) System.out.println("链表已成功清空！");
				break;
			default:
				System.out.println("请输入有效指令！");
				break;
			}
		}
		System.out.println("程序已退出");
	}
}


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链表实现类：
package com.hhxy.linkedlist;

//结点类
class Student{
	//数据域（将成员变量设置为public方便外部访问）
	public int id;
	public String name;
	public String alias;
	//引用域
	public Student next;
	
	public Student(int id, String name, String alias) {
		this.id = id;
		this.name = name;
		this.alias = alias;
	}

	@Override
	public String toString() {
		return "[id=" + id + ", name=" + name + ", alias=" + alias + "]";
	}
}

//链表类
public class SingleLinkedListDemo1 {
	//初始化头结点
	Student head = new Student(-99,"","");
	/**
	 * 判断链表是否为空
	 * @return true表示链表为空
	 */
	public boolean isEmpty() {
		//因为头节点是链表位置的标识，不能动，所以使用一个辅助引用来遍历链表
		Student temp = head.next;
		if(temp!=null) {
			//head后面存在至少一个元素，所以链表不为空
			return false;
		}
		return true;
	}
	/**
	 * 在链尾添加结点
	 * @param student 待添加的结点
	 * @return true表示添加成功
	 */
	public boolean add(Student student) {
		//同理，因为链表头节点不能动。
		//注意：需要是从头节点开始遍历，因为链表可能为空，如果从头节点后一个遍历，当链表为空时会报空指针异常
		Student temp = head;
		//遍历寻找尾结点。因为temp=head，所以是从头节点开始遍历
		while(temp.next != null) {
			temp = temp.next;
		}
		//已找到链表尾结点，进行指向
		temp.next = student;
		return true;
	}
	/**
	 * 按照id从小到大的顺序添加结点
	 * @param student 待添加的结点
	 * @return true表示添加成功
	 */
	public boolean addById(Student student) {
		Student temp = head;
		boolean flag = true;//用于判断链表是加在尾结点，还是加在结点之间
		while(temp.next != null) {
			if(student.id < temp.next.id) {
				//说明是添加在结点之间
				flag = false;
				break;
			}
			temp = temp.next;
		}
		if(flag) {
			//如果添加的结点是在尾结点
			temp.next = student;
		}else {
			//添加的结点是在结点之间
			student.next = temp.next;//切记：先改变后一个指向，再改变前一个指向
			temp.next = student;
		}
		return true;
	}
	/**
	 * 根据id获取结点
	 * @param id 
	 * @return 返回对应id的结点
	 */
	public Student get(int id) {
		if(isEmpty()) {
			throw new RuntimeException("该链表为空！");
		}
		Student temp = head.next;
		//从head结点后面开始遍历
		boolean flag = false;//判断链表中是否存在待获取的结点
		while(temp != null) {
			if(temp.id == id) {
				//找到id对应的结点
				flag = true;
				break;
			}
			temp = temp.next;
		}
		if(flag) {
			//如果找到id对应结点
			return temp;
		}else {
			//如果没有找到id对应的结点
			throw new RuntimeException("待获取的结点不存在！");
		}
	}
	/**
	 * 根据id删除结点
	 * @param id 待删除结点的id
	 * @return true表示删除成功
	 */
	public boolean remove(int id) {
		if(isEmpty()) {
			throw new RuntimeException("链表为空！");
		}
		Student temp = head;//删除结点需要依赖前一个结点，所以从头节点开始遍历
		boolean flag = false;//判断链表中是否存在待删除的结点
		while(temp.next != null) {
			if(temp.next.id == id) {
				//找到该结点
				flag = true;
				break;
			}
			temp = temp.next;
		}
		if(flag) {
			//如果找到了要删除的结点
			temp.next = temp.next.next;
		}else {
			//如果没有找到id对应的结点
			throw new RuntimeException("待删除的结点不存在！");
		}
		return true;
	}
	/**
	 * 获取链表中结点的个数（不包括头节点）
	 */
	public int size() {
		Student temp = head;
		int count = 0;
        //这里虽然遍历了头节点，但是没有遍历尾结点
		while(temp.next != null) {
			count++;
			temp = temp.next;
		}
		return count;
	}
	/**
	 * 展示链表中所有的结点（不包括头节点）
	 */
	public void show() {
		if(isEmpty()) {
			System.out.println("链表为空！");
			return;
		}
		//注意：不需要展示头节点！
		Student temp = head;
		while(temp.next != null) {
			System.out.println(temp.next);
			temp = temp.next;
		}
	}
	/**
	 * 根据id修改结点
	 * @param student 待修改的结点
	 * @return true表示修改成功
	 */
	public boolean update(Student student) {
		if(isEmpty()) {
			throw new RuntimeException("链表为空！");
		}
		Student temp = head;
		boolean flag = false;//判断链表是否修改成功
		while(temp.next != null) {
			if(temp.next.id == student.id) {
				//找到要修改的链表
				flag = true;
				student.next = temp.next.next;
				temp.next = student;
				break;
			}
			temp = temp.next;
		}
		if(flag) {
			//如果修改成功
			return true;
		}else {
			//如果链表中没有找到待删除的结点
			throw new RuntimeException("链表中不存在该结点");
		}
	}
	/**
	 * 清空链表
	 * @return true表示清空成功
	 */
	public boolean clear() {
		/*方式一：直接将头节点指向空(节约时间，但占内存)
		 * head.next = null;
		 * 除头节点以外其它结点存在引用，JVM不会回收结点内存，仍然会占据内存
		 * 这种清楚方法很费内存！ 
		 */
		//方式二：将所有结点占据的内存都进行释放（耗时，但不占内存）
		Student2 temp = head;//这里需要从后往前遍历，逐步去掉所有结点的引用，否则无法遍历下取
		while(head.next != null) {
			for (int i = size(); i > 1; i--) {
				temp = temp.next;
			}
			temp.next = null;
		}
		return true;
	}
}

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2.2 不带头节点的单向链表

略……逻辑思路都差不多，只是将头节点换成一个头指针

不带头节点和带头结点的主要区别：带头结点遍历的时候、不能将头节点进行计数；而不带结点能够直接进行遍历

本质上两者并没有什么太大区别，带头节点的链表没有指针，头结点就相当于头指针，而不带头节点的链表是由头指针的

注意：这里所谓的指针和结点其实都是结点对象，只是指针初始值为null，结点要进行初始化

2.3 练习

  • 反转链表示意图：

image-20220815155534532

  • 合并链表示意图：

测试类：
/**
 * 练习题1：获取链表倒数第k个结点
 * 练习题2：将链表反转
 * 练习题3：从尾到头打印链表的结点
 * 练习题4：合并两个有序链表，合并后仍然有序
 */
//测试类：
public class SingleLinkedListDemo3{
	public static void main(String[] args) {
		Node node1 = new Node(1);
		Node node2 = new Node(2);
		Node node3 = new Node(3);
		SingleLinkedList sll = new SingleLinkedList();
		sll.add(node1);
		sll.add(node2);
		sll.add(node3);
		System.out.println("链表原始状态：");
		sll.show();
		
		System.out.println("------------------------");
		//测试1：测试获取链表倒数第k个结点
		Node t = sll.findLastIndexNode(sll, 1);
		System.out.println(sll.findLastIndexNode(sll,1));
		System.out.println(sll.findLastIndexNode(sll,2));
		System.out.println(sll.findLastIndexNode(sll,3));
		
		System.out.println("-------------------------");
		//测试2：测试将链表反转
		sll.reverset(sll);
		System.out.println("反转后的链表：");
		sll.show();
		
		System.out.println("-------------------------");
		//测试3：从头到位打印链表
		System.out.println("反向打印链表：");
		sll.reversetPrint(sll);
		
		System.out.println("-------------------------");
		//测试4：将两个有序链表合并，合并后仍然有序
		SingleLinkedList list1 = new SingleLinkedList();
		SingleLinkedList list2 = new SingleLinkedList();
		Node node4 = new Node(4);
		Node node5 = new Node(5);
		Node node6 = new Node(6);
		Node node7 = new Node(7);
		Node node8 = new Node(8);
		Node node9 = new Node(9);
		Node node10 = new Node(10);
		Node node11 = new Node(11);
		
		list1.add(node4);
		list1.add(node7);
		list1.add(node8);
		list1.add(node10);
		list1.add(node11);
		System.out.println("链表1：");
		list1.show();
		
		System.out.println("链表2：");
		list2.add(node5);
		list2.add(node6);
		list2.add(node9);
		list2.show();
		
		SingleLinkedList list = new SingleLinkedList();
		list = list.combine(list1, list2);
		
		System.out.println("合并后的链表：");
		list.show();
	}
}

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链表实现类：
package com.hhxy.linkedlist;

import java.util.Stack;

//结点类
class Node {
	int n;
	Node next;
	public Node(int n) {
		this.n = n;
	}
	@Override
	public String toString() {
		return "[n=" + n + "]";
	}
}
//链表类：
public class SingleLinkedList {
	//初始化头节点
	public Node head = new Node(-99);
	/**
	 * 添加结点
	 */
	public void add(Node node) {
		Node current = head;
		while(current.next != null) {
			current = current.next;
		}
		current.next = node;
	}
	/**
	 * 获取链表的长度
	 * @return
	 */
	public int size() {
		Node current = head.next;
		int count = 0;
		while(current != null) {
			count++;
			current = current.next;
		}
		return count;
	}
	/**
	 * 展示
	 */
	public void show() {
		Node current = head.next;
		while(current != null) {
			System.out.println(current);
			current = current.next;
		}	
	}
	/*--------------------核心方法-------------------------*/
	/**
	 * 寻找链表倒数第k个结点
	 * @param index
	 * @return
	 */
	public Node findLastIndexNode(SingleLinkedList sll,int index) {
		Node head = sll.head;
		if(index <0 || index>sll.size() || head.next == null) {
			return null;
		}
		Node current = head.next;
		//将指针从第二个结点开始往后移动index位
		for (int i = 0; i < size()-index; i++) {
			current = current.next;
		}
		return current;
	}
	/**
	 * 将链表反转
	 * @param sll 待反转的链表
	 */
	public void reverset(SingleLinkedList sll) {
		Node head = sll.head;
		if(head.next == null || head.next.next == null) {
			//当前链表为空，或者只有一个结点，直接返回
			return;
		}
		SingleLinkedList sllTemp = new SingleLinkedList();//创建一个新链表
		Node headTemp = sllTemp.head;
		Node temp = null;//用来存旧链表的引用，方便遍历旧链表
		Node current = head.next;//辅助遍历旧链表
		while(current != null) {
			temp = current.next;//不保存，新链表就会断开，就无法进行遍历了
			current.next = headTemp.next;//指向新创建的头结点的后面的结点
			headTemp.next = current;//新创建的头结点，指向插入的结点
			current = temp;//指针往后移
		}
		head.next = headTemp.next;
	}
	/**
	 * 反向打印链表
	 * @param sll
	 */
	public void reversetPrint(SingleLinkedList sll) {
		Node head = sll.head;
		if(head.next == null) {
			return;
		}
	/*
	  //方式一：使用findLastIndexNode方法（要先实现findLastIndexNode方法，不值得推荐）
		for(int i=1;i<=sll.size();i++) {
			System.out.println(sll.findLastIndexNode(sll, i));
		}
	  //方式二：使用reverset方法（要先实现reverset方法，并且改变了链表的结构，不值得推荐）
	    reverset(sll);
	    sll.show();
	*/
		//方式三：使用栈（强烈推荐）
		Stack<Node> stack = new Stack<>();
		Node current = head.next;
		while(current != null) {
			stack.push(current);
			current = current.next;
		}
		while(stack.size()>0) {
			System.out.println(stack.pop());
		}
	}
	/**
	 * 合并两个有序链表，合并后仍然有序(这里我是默认按从小到大排序的)
	 */
	public SingleLinkedList combine(SingleLinkedList sll1,SingleLinkedList sll2) {
		Node head1 = sll1.head.next;//用于遍历sll1链表
		Node head2 = sll2.head.next;
		if(head1 == null || head2  == null) {
        	//只要有一个链表为空就直接返回
        	return head1 != null ? sll1 : sll2;
        }
		SingleLinkedList sll = new SingleLinkedList();//合并后的链表
        Node temp=sll.head;//用来给sll链表添加结点的
        while (head1 != null && head2 != null){
            if (head1.n < head2.n){
            	//链表1的结点是当前最小结点
                temp.next = head1;//新链表连接最小结点
                temp = temp.next;//每新增一个结点，temp就往后移一位，保证他在尾结点方便连接新结点
                head1 = head1.next;//链表1的指针也往后移一位
            }else{
            	//链表2的结点是当前最小结点
                temp.next = head2;
                temp = temp.next;
                head2 = head2.next;
            }
        }
        if (head1 != null && head2 == null){
        	//经过一一段时间的合并后，sll2的链表为空了，直接就将sll1链表后面的结点拼接上去
            temp.next = head1;
        }
        if (head1 == null && head2 != null){
            temp.next = head2;
        }
        return sll;
    }
	/*------------------------------------------------*/
}

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3、双向链表

双向链表相对单向链表就较为简单了，因为每个结点既能往后遍历，又能往前遍历 ，对于插入、删除、修改都无需像单链表一样依靠前一个结点。

与单链表的主要区别：

  1. 遍历不仅可以往前遍历，还可以往后遍历

  2. 插入、删除、修改不需要依赖前一个结点（在链尾插入需要依赖尾结点）

  3. 添加的时候，需要进行双向绑定！

  • 双向链表插入示意图：

    链表插入演示

    image-20220816113620558

  • 双向链表删除示意图：

    链表删除演示

    image-20220816114235701

测试类：

和单向链表的测试方法相同

示意图：

image-20220816163415447

双向链表实现类：

其实只要理解了单向链表，再来看双向链表就会觉得so easy

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