每日学习一个数据结构-链表

文章目录

- 什么是链表？
- 链表的Java实现
- - [1. 单向链表（Singly Linked List）](#1. 单向链表（Singly Linked List）)
  - [2. 双向链表（Doubly Linked List）](#2. 双向链表（Doubly Linked List）)
  - [3. 循环链表（Circular Linked List，这里以单向循环链表为例）](#3. 循环链表（Circular Linked List，这里以单向循环链表为例）)
  - [4. 带哨兵节点的链表（以单向链表为例）](#4. 带哨兵节点的链表（以单向链表为例）)

什么是链表？

链表（Linked List）是一种常见的数据结构，由一系列节点（Node）组成，每个节点包含两个部分：一部分用于存储数据（称为数据域），另一部分用于存储指向下一个节点的指针（或链接、引用）。链表是线性数据结构的一种，但与数组不同的是，链表中的元素在内存中的存储位置不必连续。

链表有多种类型，主要包括以下几种：

单向链表（Singly Linked List）：
- 每个节点包含一个数据域和一个指向下一个节点的指针。
- 最后一个节点的指针为 null 或 None，表示链表的结束。
双向链表（Doubly Linked List）：
- 每个节点包含一个数据域、一个指向下一个节点的指针和一个指向前一个节点的指针。
- 第一个节点的指向前一个节点的指针为 null 或 None，最后一个节点的指向下一个节点的指针为 null 或 None。
循环链表（Circular Linked List）：
- 最后一个节点的指针指向第一个节点，形成一个循环。
- 可以是单向循环链表或双向循环链表。
带哨兵节点（Sentinel Node）的链表：
- 在链表头部添加一个哨兵节点，简化链表操作中的边界条件处理。
- 哨兵节点不存储实际数据，只是起到标记作用。

链表的主要操作包括：

插入（Insert）：在链表的某个位置插入一个新的节点。
删除（Delete）：删除链表中的某个节点。
查找（Search）：查找链表中是否包含某个值或某个节点。
遍历（Traverse）：从头到尾遍历链表中的每个节点。

链表的优点：

插入和删除操作高效，不需要移动大量元素。
动态性强，可以方便地调整链表的大小。

链表的缺点：

需要额外的存储空间来存储指针。
访问某个特定元素（非头节点）需要从头节点开始遍历，效率较低。

链表在多种应用场景中都有广泛应用，如实现队列、栈、哈希表等数据结构，以及在一些算法中如图的遍历、路径搜索等。

链表的Java实现

在Java中，我们可以使用类和对象来实现上文提到的四种链表：单向链表、双向链表、循环链表和带哨兵节点的链表。以下是每种链表的简单实现：

1. 单向链表（Singly Linked List）

java 复制代码

class SinglyLinkedListNode {
    int data;
    SinglyLinkedListNode next;

    public SinglyLinkedListNode(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

class SinglyLinkedList {
    private SinglyLinkedListNode head;

    // Add methods to insert, delete, search, and traverse the list
}

2. 双向链表（Doubly Linked List）

java 复制代码

class DoublyLinkedListNode {
    int data;
    DoublyLinkedListNode next;
    DoublyLinkedListNode prev;

    public DoublyLinkedListNode(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
        this.prev = null;
    }
}

class DoublyLinkedList {
    private DoublyLinkedListNode head;

    // Add methods to insert, delete, search, and traverse the list
}

3. 循环链表（Circular Linked List，这里以单向循环链表为例）

java 复制代码

class CircularLinkedListNode {
    int data;
    CircularLinkedListNode next;

    public CircularLinkedListNode(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

class CircularLinkedList {
    private CircularLinkedListNode tail; // Using tail for simplicity in insertion

    public CircularLinkedList() {
        this.tail = null;
    }

    // Special insertion method to handle circular nature
    public void insert(int data) {
        CircularLinkedListNode newNode = new CircularLinkedListNode(data);
        if (tail == null) {
            tail = newNode;
            newNode.next = newNode; // Point to itself to form a circle with one node
        } else {
            newNode.next = tail.next; // Point to the head (which is tail.next in a circular list)
            tail.next = newNode; // Insert newNode before the "head" (which is actually the second node in the circle)
            tail = newNode; // Move the tail pointer to the newly inserted node
        }
    }

    // Add methods to delete, search, and traverse the list (considering the circular nature)
}

注意：上面的循环链表实现为了简化插入操作而使用了tail指针。在实际应用中，你可能需要维护一个head指针来方便地访问链表的开始，并相应地调整插入和删除操作。

4. 带哨兵节点的链表（以单向链表为例）

java 复制代码

class SentinelLinkedListNode {
    int data;
    SentinelLinkedListNode next;

    public SentinelLinkedListNode() {
        this.data = Integer.MIN_VALUE; // Use a special value to denote a sentinel node
        this.next = null;
    }

    public SentinelLinkedListNode(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

class SentinelLinkedList {
    private SentinelLinkedListNode sentinel; // Sentinel node acts as the head

    public SentinelLinkedList() {
        this.sentinel = new SentinelLinkedListNode(); // Initialize with the sentinel node
    }

    // Insertion method considering the sentinel node
    public void insert(int data) {
        SentinelLinkedListNode newNode = new SentinelLinkedListNode(data);
        SentinelLinkedListNode current = sentinel;
        while (current.next != null && current.next != sentinel) { // Traverse to the last non-sentinel node
            current = current.next;
        }
        current.next = newNode;
        newNode.next = sentinel; // Point to the sentinel to maintain the circular reference (optional, depending on design)
        // Alternatively, you can keep it non-circular and set newNode.next to null if you don't need circular behavior
    }

    // Note: You might want to adjust the traversal method to skip the sentinel node when displaying the list
    // Add other methods to delete, search, and traverse the list (considering the sentinel node)
}

注意：在带哨兵节点的链表中，哨兵节点通常不存储有效数据，而是用作链表的开始或结束标记。上面的实现中，我使用了Integer.MIN_VALUE来标记哨兵节点，但在实际应用中，你可能需要定义一个更明确的标记方式，比如使用null值配合特定的逻辑来处理哨兵节点。另外，上面的循环引用（newNode.next = sentinel）是可选的，取决于你是否需要链表保持循环结构。如果不需要循环结构，可以将newNode.next设置为null。

请注意，上述代码只是每种链表的基本框架，并没有包含完整的插入、删除、搜索和遍历方法。你需要根据具体需求来实现这些方法。