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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。
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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
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
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
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
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。