一、前言
在前面两章我们讲解了动态数组、栈和队列的讲解，这些底层都是依托静态数组，靠 resize解决固定容量问题的，之前虽然用户看到的是动态数组，但是依然使用的是静态数组，他是依靠 resize 这个方法解决 固定容量问题 ，但是我们今天要讲解的 链表 不一样，链表是我们数据结构学习的一个重点，也有可能是一个难点，为什么链表这么重要呢?因为他是最简单的也是 真正的动态数据结构。
二、为什么链表很重要
- 链表是一个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
更深入的理解引用(或者指针)：和内存相关，虽然在 java 中大家不用手动的管理内存，但是对 链表 这种数据结构，更加深入的理解，可以帮助大家对引用、指针、甚至计算机系统中和内存管理相关的很多话题，有更加深入的认识。
更深入的理解递归：链表 本来也是有他非常清晰的递归结构的，、由于 链表 这种数据结构是 数据结构，我们可以更加 深入理解递归，对于递归这种深入理解是不可获取的。
链表 本身也是具有功能性：辅助组成其他数据结构(hashMap 、栈和队列)
三、什么是链表
链表 是一种数据结构，在内存中通过 节点记录内存地址 而相互链接形成一条链的储存方式。相比数组而言，链表在内存中不需要连续的区域，只需要每一个节点都能够 记录下一个节点 的 内存地址 ，通过 引用 进行查找，这样的特点也就造就了 链表 增删操作时间消耗很小，而查找遍历时间消耗很大的特点。
我们日常在 Java 中使用的 LinkedList 即为 双向链表。而在链表是由其基本组成单元节点 (Node) 来实现的。我们在日常中见到的链表大部分都是 单链表和双链表
单元节点 (Node)：
class Node{
E e;
Node next;
}
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e 就是链表元素
next 指的是当前节点的下一个节点
对于 链表 来说它就像我们的火车一样，每一个节点其实就是一节车厢，我们在车厢中存储真正的数据，而车厢和车厢之间还要进行连接，让我们数据是整合在一起的，用户可以方便的在所有的数据上进行查询或其他操作，那么 数据和数据连接 就是由这个 next 来完成的
当然 链表 不能无穷无尽，如果一个节点的 next 是 Null 了，就说明这个节点是最后一个节点了，这就是 链表
如下图所示(单链表)：
链表的优点：真正的动态，不需要处理固定容量的问题链表的缺点：丧失了随机访问的能力
在数组中：每一个索引，直接从数组中拿出索引对应的元素，这是因为从底层机制上，数组所开辟的空间，在内存里是连续分布的，所以我们可以直接可以去找这个数组的偏移，直接计算出这个数据所存储的内存地址，可以直接使用。
链表：而链表是靠 Next 一层一层连接的，需要借助这个 Next 一点一点的去找我们需要取出来的元素。
四、创建我们自己的链表
4.1 链表基本结构
/**
* 底层链表的内部类
* @param <E>
*/
public class LinkedList<E> {
//设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现，
// 不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现
private class Node{
public E e;
public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作
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();
}
}
}
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内部类Node：设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现，不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现e：元素next：指向Node的一个引用
4.2 添加元素
之前我们讲的是如何在数组中添加元素，我们在数组尾添加元素是非常方便的，因为对于数组来说是顺序排放的，有意思的是对于链表来说，恰恰相反，在链表头添加元素是非常方便的，其实这样非常好理解，对于数组来说我们有 size 这个变量，它直接指向了数组中最后一个元素下一个位置，也就是下一个待添加元素的位置，所以直接添加就非常容易，因为有 size 这个变量，在跟踪数组的尾巴，而对于链表来说我们设立了链表的一个头 head ，而没有变量来跟踪链表的尾巴,所以我们在链表头添加元素是非常方便的，最关键的就是 node.next = head 和 head = node，如下图所示：
4.2.1 链表头添加元素
代码实现：
//在链表头中添加元素e
public void addFirst(E e){
//方式一
// Node node = new Node(e);
// node.next = head;
// head = node;
//方式二
head = new Node(e,head);
size ++;
}
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4.2.2 链表中间添加元素
我们需要在索引为2的地方添加元素 666，我们只需要找到 元素666要 插入之前的节点(1) ，我们管它叫 prev，然后把 之前节点的(1) next 指向 666，然后在将 666的这个 节点指向之前节点(1) 的 之后的节点(2) ，就完成了整个插入了，其中关键代码就是 node.next=prev.next和prev.next=node;，其中关键：我们要找到添加节点的前一个节点 。
代码实现：
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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++) {//将prev 放入下一个节点，直到移动到index - 1
prev = prev.next;
//方式一
// Node node = new Node(e);
// node.next = prev.next;
// prev.next = node;
//方式二
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);
}
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4.2.3 添加操作时间复杂度
4.3 为链表设计虚拟头结点
上面我们介绍了链表的添加操作，那么我们在添加的时候遇到了一个问题，就是在链表任意一个地方的时候，添加一个元素，在链表头添加一个元素，和在链表其他地方添加元素，逻辑上会有差别，为什么在链表头添加元素会比较特殊呢，因为我们在链表添加元素的过程，要找到待添加的 之前的一个节点，但是由于对于链表头没有之前的一个节点，不过我们可以自己创建一个头结点，这个头节点就是 虚拟头结点，这个节点对于用户来说是不存在， 用户也不会感知到这个节点的存在，我们是屏蔽了这个节点的存在，如下图所示：
代码实现：
private Node dummyHead;
int size;
public LinkedList(){
dummyHead = new Node(null,null);
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
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 ++;
}
//在链表头中添加元素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);
}
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4.4 链表元素 get、set、是否存在操作
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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);
}
//获取链表的最后一个元素
public E getLast(){
return get(size - 1);
}
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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;
}
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4.5.1 修改和查找操作时间复杂度
4.5 删除链表元素
加入我们想要删除索引为 (2) 位置的元素，我们需要找到 待删除节点之前的一个位置，也就是(1) ，我们用 prev 表示，找到这个节点之后，那么 (2) 就是我们需要删除的索引了 我们叫 delNode，如下图所示：
代码实现：
//从链表中删除Index(0-based)位置的元素，返回删除的元素
public E remove(int index){
if(index < 0 || index > size)
throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index.");
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位置的元素
public E removeFirst(){
return remove(0);
}
//从链表中删除最后一个位置的元素
public E removeLast(){
return remove(size - 1);
}
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4.5.1 删除操作时间复杂度
4.6 完整代码
/**
* 底层链表的内部类
* @param <E>
*/
public class LinkedList<E> {
private class Node{
public E e;
public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作
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;
int size;
public LinkedList(){
dummyHead = new Node(null,null);
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;
}
//在链表头中添加元素e
public void addFirst(E e){
//方式一
// Node node = new Node(e);
// node.next = head;
// head = node;
//方式二
add(0,e);
}
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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 ++;
}
//在链表末尾添加新的元素e
public void addLast(E e){
add(size,e);
}
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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);
}
//获取链表的最后一个元素
public E getLast(){
return get(size - 1);
}
//在链表的index(0-based)位置添加新的元素e
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;
}
//从链表中删除Index(0-based)位置的元素，返回删除的元素
public E remove(int index){
if(index < 0 || index > size)
throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index.");
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位置的元素
public E removeFirst(){
return remove(0);
}
//从链表中删除最后一个位置的元素
public E removeLast(){
return remove(size - 1);
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
for (Node cur = dummyHead.next;cur != null; cur= cur.next)
res.append(cur + "->");
res.append("Null");
return res.toString();
}
}
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4.2.7 结果测试：
public static void main(String[] args) {
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
//添加元素 0-4
for (int i = 0; i < 5 ; i++) {
linkedList.addFirst(i);
System.out.println(linkedList);
}
//添加第二个元素添加 666
linkedList.add(2,666);
System.out.println(linkedList);
//删除第二个元素 666
linkedList.remove(2);
System.out.println(linkedList);
//删除第一个元素
linkedList.removeFirst();
System.out.println(linkedList);
//删除最后一个元素
linkedList.removeLast();
System.out.println(linkedList);
}
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打印结果：
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1->0->Null
2->1->0->Null
3->2->1->0->Null
4->3->2->1->0->Null
4->3->666->2->1->0->Null
4->3->2->1->0->Null
3->2->1->0->Null
3->2->1->Null
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四、链表时间复杂度分析
对于增加和删除来说，如果是对链表头进行操作，那么就是 O(1) 级别的复杂度，对于查询来说，也是一样
五、链表应用
5.1 使用栈实现链表
5.1.1 接口类：
/**
* @program: Data-Structures
* @ClassName Stack
* @description:
* @author: lyy
* @create: 2019-11-20 21:51
* @Version 1.0
**/
public interface Stack<E> {
int getSize();
boolean isEmpty();
void push(E e);
E pop();
E peek();
}
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5.1.2 实现类：
import com.lyy.datasty.Mystack.Stack;
//链表栈实现
public class LinkedListStack<E> implements Stack<E> {
private LinkedList1<E> list;
public LinkedListStack(){
list = new LinkedList1<>();
}
@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();
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
res.append("Stack：top ");
res.append(list);
return res.toString();
}
}
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5.1.3 运行结果：
public static void main(String[] args) {
LinkedListStack<Integer> stack = new LinkedListStack<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
stack.push(i);
System.out.println(stack);
}
stack.pop();
System.out.println(stack);
}
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5.1.4 结果打印：
Stack：top 0->Null
Stack：top 1->0->Null
Stack：top 2->1->0->Null
Stack：top 3->2->1->0->Null
Stack：top 4->3->2->1->0->Null
Stack：top 3->2->1->0->Null
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5.2 使用链表实现队列
5.2.1 接口类
/**
* @program: Data-Structures
* @ClassName Queue
* @description:
* @author: lyy
* @create: 2019-11-21 21:54
* @Version 1.0
**/
public interface Queue<E> {
int getSize();
boolean isEmpty();
void enqueue(E e);
E dequeue();
E getFront();
}
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5.2.2 实现类
public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E>{
//设计私有的内部类，对于用户来说不需要知道链表底层实现，
// 不需要知道node这个节点，对用户屏蔽编码实现的底层实现
private class Node{
public E e;
public Node next;//public 可以在LinkedList随意操作
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;
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
res.append("Queue：front ");
Node cur = head;
while (cur != null) {
res.append(cur + "->");
cur = cur.next;
}
res.append("Null tail");
return res.toString();
}
}
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5.2.2 测试类
public static void main(String[] args) {
LinkedListQueue<Integer> queue = new LinkedListQueue<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
queue.enqueue(i);
System.out.println(queue);
if(i % 3 ==2){
queue.dequeue();
System.out.println(queue);
}
}
}
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打印结果：
Queue：front 0->Null tail
Queue：front 0->1->Null tail
Queue：front 0->1->2->Null tail
Queue：front 1->2->Null tail
Queue：front 1->2->3->Null tail
Queue：front 1->2->3->4->Null tail
Queue：front 1->2->3->4->5->Null tail
Queue：front 2->3->4->5->Null tail
Queue：front 2->3->4->5->6->Null tail
Queue：front 2->3->4->5->6->7->Null tail
Queue：front 2->3->4->5->6->7->8->Null tail
Queue：front 3->4->5->6->7->8->Null tail
Queue：front 3->4->5->6->7->8->9->Null tail
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六、更多链表结构
6.1 双链表
代码：
class Node{
E e;
Node next,prev;
}
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6.1 循环列表
代码：
class Node{
E e;
Node next,prev;
}
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在java中，LinkedList 底层使用的就是 循环链表，也就是循环双向链表，到这里我们链表就讲解完成了。
