算法通关村第一关—青铜挑战—用Java基本实现各种链表操作

itzzan2023-11-30 16:17

文章目录

第一关---链表【青铜挑战】

1.1 单链表的概念

  • 单向链表就像一个铁链一样，元素之间互相连接，包含多个结点，每个结点**只有一个**指向后继元素的next指针，并且最后一个元素的next指向null

小练：以下两张图，是否满足单链表的要求



解析：

第一张图满足单链表的要求，第二张图不满足要求，因为c1它有两个后继结点a5和b4，单链表的核心是一个结点只能有一个后继，但是不代表一个结点只能有一个被指向（如c1可以被a2和b3指向）

注意：做题的时候注意比较的是值还是结点，有时可能两个结点的值是相等的，但并不是同一个结点，例如下图，有两个结点的值都是1，但并不是同一个结点

1.2 链表的相关概念

节点和头节点

在链表中，每个点都由值和指向下一个节点的地址组成独立的单元，成为一个结点，有时也称为节点，含义都是一样的

对于单链表而言，如果知道了第一个元素，就可以遍历访问整个链表，因此第一个节点最重要，一般称为头节点

虚拟结点

虚拟结点就是一个dummyNode，其next指针指向head头部，也就是dummyNode.next = head

因此，如果我们在算法里使用了虚拟结点，则要注意，如果要获得head结点，或者从方法里返回的时候，则应使用dummyNode.next

另外，dummyNode的val不会被使用，初始化为0或者-1等都是可以的，既然值不会被使用，那么我们就会有疑问？虚拟结点有啥用呢？简单来说，就是为了方便我们处理头结点 ，否则我们需要在代码里单独处理头结点【首部结点】的问题

1.3 创建链表 - Java实现

我们首先要理解JVM是怎么构建出链表，JVM里面有栈区和堆区，堆区主要存引用，也就是一个指向实际对象的地址，而堆区存的才是创建的对象

java 复制代码 
/**
 * @Author Zan
 * @Date 2023/11/29 14:46
 * @Description : 传入一个数组，将其转换成单链表
 */
public class BasicLink {

    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
        Node head = initLinkedList(a);
        System.out.println(head);
    }

    private static Node initLinkedList(int[] array) {
        Node head = null, current = null;
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            Node newNode = new Node(array[i]);
            if (i == 0) { // 头节点
                // 由于head = current，因此当current在变化的时候，head也在变化
                head = newNode;
//                newNode = new Node(array[i]); // 如果在此将newNode重新定义，指向的是不同的堆数据，因此head就只是一个Node普通对象，单节点的链表
                current = newNode;
            } else { // 后面的节点
                current.next = newNode;
                current = newNode;
            }
        }
        return head;
    }


    static class Node {
        public int x;
        public Node next;

        public Node(int x) {
            this.x = x;
            next = null;
        }
    }
}

我们可以看到初始化链表的时候，head和current指向的是同一个对象，也就是指向堆中的同一个数据 ，因此当控制current.next = newNode 的时候，其实就是控制堆中的数据指向谁，next指向下一条数据，而head跟current一样指向的是同一个对象，因此就可以跟随其变化

最后得到head如下图所示 - 单链表的形式

1.4 链表的增删改查

  • 对于单链表而言，不管进行什么操作，一定都是从头开始逐个向后开始访问，所以操作之后是否还能够找到表头非常重要

1.4.1 遍历单链表 - 求单链表长度

java 复制代码 
/**
 * 遍历链表，获取链表的长度
 * @param head 头节点
 * @return
 */
public static int getListLength(Node head) { // 传入头节点
    int length = 0;
    Node node = head;
    while (node != null) { // 一个一个节点遍历
        length++;
        node = node.next;
    }
    return length;
}

1.4.2 链表插入 - 三种位置插入

  • 单链表的插入，和数组的插入一样，过程不复杂。但是单链表的插入操作需要考虑三种情况：首部、中部和尾部
（1）在链表的表头插入
  1. 创建新结点newNode
  2. 新结点的next = head，即newNode.next = head
  3. 头head指向新的链表，即head = newNode
java 复制代码 
/**
 * 在链表的表头插入
 * @param head 原链表
 * @param nodeInsert 要插入表头的结点元素
 * @return
 */
public static Node insertNodeByHead(Node head, Node nodeInsert) {
    nodeInsert.next = head;
    head = nodeInsert;
    return head;
}
（2）在链表的中间插入
  1. 循环找到要插入位置position的前一个结点（位置从1开始）
  2. 将插入结点的next指向前一个结点的next，即nodeInsert.next = newNode.next
  3. 将前一个结点的next指向插入结点，即newNode.next = nodeInsert
  • 注意：我们不能先将前一个结点的next指向插入结点，这是因为每个结点都只有一个next ，因此如果先将前一个结点的next指向插入结点，那么15->7这一条线就断掉了，也就导致后面的7、40将会找不到，断开
java 复制代码 
/**
 * 在链表的中间位置插入
 * @param head 原链表的头结点
 * @param nodeInsert 要插入的结点
 * @param position 要插入的位置，从1开始
 * @return
 */
public static Node insertNodeByPosition(Node head, Node nodeInsert, int position) {
    Node newNode = head; // 不对原链表进行操作，用新链表指向堆中的同一个元素，进行堆中的操作
    int i = 1;
    while (i < position - 1) { // 要在中间位置插入，因此要获取插入位置的前一个结点，这样子才能将next连接起来
        newNode = newNode.next;
        i++;
    }
    nodeInsert.next = newNode.next; // 将要插入的结点的next指向插入位置前一个结点的next
    newNode.next = nodeInsert; // 将插入位置前一个结点的next指向要插入的结点
    return head;
}
（3）在链表的结尾插入
  1. 获取原链表总共有多少个元素
  2. 循环遍历找到最后一个结点
  3. 将最后一个结点的next指向新结点
java 复制代码 
/**
 * 在链表的结尾插入
 * @param head 原链表的头结点
 * @param nodeInsert 要插入的结点
 * @return
 */
public static Node insertByEnd(Node head, Node nodeInsert) {
    Node newNode = head;
    int nodeLength = getListLength(newNode); // 获取到原链表的元素个数
    int i = 1;
    while (i < nodeLength) { // 循环遍历找到最后一个结点
        newNode = newNode.next;
        i++;
    }
    newNode.next = nodeInsert; // 将最后一个结点的next指向新结点
    return head;
}
（4）在链表的所有位置插入[总结]⭐
java 复制代码 
/**
 * 链表的插入（所有情况，表头、中间、结尾）
 *
 * @param head 原链表
 * @param nodeInsert 插入的结点
 * @param position 插入的位置，从1开始
 * @return
 */
public static Node insertNode(Node head, Node nodeInsert, int position) {
    // head原链表中没有数据，插入的结点就是链表的头结点
    if (head == null) {
        return nodeInsert;
    }

    // 获取存放元素个数 - 进行校验(position在[1, size]之间)
    int size = getListLength(head);
    if (position > size + 1 || position < 1) {
        System.out.println("位置参数越界");
        return head;
    }

    // 表头插入
    if (position == 1) {
        nodeInsert.next = head;
        head = nodeInsert;
        return head;
    }

    // 中间插入和结尾插入
    Node newNode = head;
    int count = 1;
    while (count < position - 1) {
        count++;
        newNode = newNode.next;
    }
    nodeInsert.next = newNode.next;
    newNode.next = nodeInsert;

    return head;
}

1.4.3 链表删除 - 三种位置删除

  • 删除同样分为删除头部元素、删除中间元素和删除尾部元素
（1）删除链表的表头结点

将head表头向前移动一次之后，原先的结点就变成了不可达，会被JVM回收掉

java 复制代码 
/**
 * 删除表头结点
 * @param head 原链表
 * @return
 */
public static Node deleteByHead(Node head) {
    head = head.next;
    return head;
}
（2）删除链表的最后一个结点
  1. 获取该链表的总长度size
  2. 找到倒数第二个结点
  3. 将倒数第二个结点的next指向null，即newNode.next = null
java 复制代码 
/**
 * 删除最后一个结点
 * @param head 原链表
 * @return
 */
public static Node deleteByEnd(Node head) {
    Node newNode = head;
    int size = getListLength(head); // 获取该链表的总长度size
    int i = 1;
    while (i < size - 1) { // 找到倒数第二个结点
        i++;
        newNode = newNode.next;
    }
    newNode.next = null; // 将倒数第二个结点的next指向null
    return head;
}
（3）删除链表的中间结点
  1. 找到要删除结点的前一个结点
  2. 将前一个结点的next指向下下个结点，即newNode.next = newNode.next.next
java 复制代码 
/**
 * 删除中间结点
 * @param head 原链表
 * @return
 */
public static Node deleteByPosition(Node head, int position) {
    Node newNode = head;
    int i = 1;
    while (i < position - 1) {
        i++;
        newNode = newNode.next;
    }
    newNode.next = newNode.next.next;
    return head;
}
（4）删除链表的任一位置[总结]⭐
java 复制代码 
/**
 * 删除结点（三种情况，表头、中间、最后一位结点）
 * @param head 原链表
 * @return
 */
public static Node deleteNode(Node head, int position) {
    // 如果没有结点，说明无法删除，直接返回null即可
    if (head == null) {
        return null;
    }

    //校验
    int size = getListLength(head);
    if (position > size || position < 1) { // 这里不是size+1，而插入是size+1，因为插入可以插入到最后一位（未知的最后一位），而删除必须要是已知的，不能是未知的越界
        System.out.println("输入的参数有误");
        return head;
    }

    if (position == 1) { // 删除头节点
        return head.next;
    } else { // 删除中间结点或者最后一个结点
        Node newNode = head;
        int count = 1;
        while (count < position - 1) {
            count++;
            newNode = newNode.next;
        }
        newNode.next = newNode.next.next;
        return head;
    }
}
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