第四章 最基础的动态数据结构：链表

第四章 最基础的动态数据结构：链表

• 4-1 什么是链表
• 链表
• 数组与链表的对比
• 4-2 链表Linked List
• 在链表头添加元素
• 在链表中间和末尾添加元素
• 4-3 使用链表的虚拟头结点
• 4-4 链表的遍历，查询和修改
• 4-5 从链表中删除元素
• 链表的时间复杂度分析
• 4-6 使用链表实现栈
• 4-7 带有尾指针的链表：使用链表实现队列

4-1 什么是链表

为什么链表很重要

• 链表：真正的动态数据结构
• 最简单的动态数据结构
• 更深入的理解引用（或者指针）
• 更深入的理解递归
• 辅助组成其他数据结构

链表

数据存储在"节点（Node)中

class Node {
	E e；
	Node next;
}

优点：真正的动态，不需要处理固定容量的问题
缺点：丧失了随机访问的能力

数组与链表的对比

数组	链表
数组最好用于索引有语意的情况。scores[2]	链表不适合索引有语意的情况
支持快速查询	动态

public class LinkedList<E> {

    private class Node{
        public E e;
        public Node next;

        public Node(E e, Node next){
            this.e = e;
            this.next = next;
        }

        public Node(E e){
            this(e, null);
        }

        public Node(){
            this(null, null);
        }

}

4-2 链表Linked List

在链表头添加元素

// 在链表头添加新的元素e
    public void addFirst(E e){
// Node node = new Node(e);
// node.next = head;
// head = node;

        head = new Node(e, head);
        size ++;
    }

在链表中间和末尾添加元素

// 在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public void add(int index, E e){

        if(index < 0 || index > size)
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index.");

        if(index == 0)
            addFirst(e);
        else{
            Node prev = head;
            for(int i = 0 ; i < index - 1 ; i ++)
                prev = prev.next;

// Node node = new Node(e);
// node.next = prev.next;
// prev.next = node;

            prev.next = new Node(e, prev.next);
            size ++;
        }
    }
        // 在链表末尾添加新的元素e
    public void addLast(E e){
        add(size, e);
    }

4-3 使用链表的虚拟头结点

public class LinkedList<E> {

    private class Node{
        public E e;
        public Node next;

        public Node(E e, Node next){
            this.e = e;
            this.next = next;
        }

        public Node(E e){
            this(e, null);
        }

        public Node(){
            this(null, null);
        }

        @Override
        public String toString(){
            return e.toString();
        }
    }

    private Node dummyHead;
    private int size;

    public LinkedList(){
        dummyHead = new Node();
        size = 0;
    }

    // 获取链表中的元素个数
    public int getSize(){
        return size;
    }

    // 返回链表是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    // 在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public void add(int index, E e){

        if(index < 0 || index > size)
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index.");

        Node prev = dummyHead;
        for(int i = 0 ; i < index ; i ++)
            prev = prev.next;

        prev.next = new Node(e, prev.next);
        size ++;
    }

    // 在链表头添加新的元素e
    public void addFirst(E e){
        add(0, e);
    }

    // 在链表末尾添加新的元素e
    public void addLast(E e){
        add(size, e);
    }
}

4-4 链表的遍历，查询和修改

// 获得链表的第index(0-based)个位置的元素
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public E get(int index){

        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index.");

        Node cur = dummyHead.next;
        for(int i = 0 ; i < index ; i ++)
            cur = cur.next;
        return cur.e;
    }

    // 获得链表的第一个元素
    public E getFirst(){
        return get(0);
    }

    // 获得链表的最后一个元素
    public E getLast(){
        return get(size - 1);
    }

// 修改链表的第index(0-based)个位置的元素为e
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public void set(int index, E e){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Set failed. Illegal index.");

        Node cur = dummyHead.next;
        for(int i = 0 ; i < index ; i ++)
            cur = cur.next;
        cur.e = e;
    }

// 查找链表中是否有元素e
    public boolean contains(E e){
        Node cur = dummyHead.next;
        while(cur != null){
            if(cur.e.equals(e))
                return true;
            cur = cur.next;
        }
        return false;
    }

4-5 从链表中删除元素

// 从链表中删除index(0-based)位置的元素, 返回删除的元素
    // 在链表中不是一个常用的操作，练习用：）
    public E remove(int index){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");

        Node prev = dummyHead;
        for(int i = 0 ; i < index ; i ++)
            prev = prev.next;

        Node retNode = prev.next;
        prev.next = retNode.next;
        retNode.next = null;
        size --;

        return retNode.e;
    }

    // 从链表中删除第一个元素, 返回删除的元素
    public E removeFirst(){
        return remove(0);
    }

    // 从链表中删除最后一个元素, 返回删除的元素
    public E removeLast(){
        return remove(size - 1);
    }

    // 从链表中删除元素e
    public void removeElement(E e){

        Node prev = dummyHead;
        while(prev.next != null){
            if(prev.next.e.equals(e))
                break;
            prev = prev.next;
        }

        if(prev.next != null){
            Node delNode = prev.next;
            prev.next = delNode.next;
            delNode.next = null;
            size --;
        }
    }

链表的时间复杂度分析

添加操作	时间复杂度
addLast(e)	O(n)
addFirst(e)	O(1)
add(index,e)	O(n/2)=O(n)
综合	O(n)

删除操作	时间复杂度
removeLast(e)	O(n)
removeFirst(e)	O(1)
remove(index,e)	O(n/2)=O(n)
综合	O(n)

修改操作	时间复杂度
set(index,e)	O(n)

查找操作	时间复杂度
get(index)	O(n)
contains(e)	O(n)

4-6 使用链表实现栈

public class LinkedListStack<E> implements Stack<E> {

    private LinkedList<E> list;

    public LinkedListStack(){
        list = new LinkedList<>();
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return list.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return list.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E e){
        list.addFirst(e);
    }

    @Override
    public E pop(){
        return list.removeFirst();
    }

    @Override
    public E peek(){
        return list.getFirst();
    }

4-7 带有尾指针的链表：使用链表实现队列

public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {

    private class Node{
        public E e;
        public Node next;

        public Node(E e, Node next){
            this.e = e;
            this.next = next;
        }

        public Node(E e){
            this(e, null);
        }

        public Node(){
            this(null, null);
        }

        @Override
        public String toString(){
            return e.toString();
        }
    }

    private Node head, tail;
    private int size;

    public LinkedListQueue(){
        head = null;
        tail = null;
        size = 0;
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    @Override
    public void enqueue(E e){
        if(tail == null){
            tail = new Node(e);
            head = tail;
        }
        else{
            tail.next = new Node(e);
            tail = tail.next;
        }
        size ++;
    }

    @Override
    public E dequeue(){
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");

        Node retNode = head;
        head = head.next;
        retNode.next = null;
        if(head == null)
            tail = null;
        size --;
        return retNode.e;
    }

    @Override
    public E getFront(){
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
        return head.e;
    }
}