数据结构与算法 —— Java单链表从“0”到“1”

新学笺2025-10-02 17:57

一、为什么要学习单链表

数组在开发中很常用，但有两个致命问题：

1、内存必须连续，扩容时需复制整个数组（如 ArrayList 的 grow() 方法）

2、中间插入 / 删除元素时，需移动后续所有元素（时间复杂度 O (n)）

而单链表「指针串联零散节点」，完美解决这两个问题：

1、内存无需连续，新增节点直接申请内存即可

2、插入/删除只需修改指针指向 （在找到目标节点的前驱节点的情况下，时间复杂度为O(1)）

二、单链表核心原理

1、节点(Node)的定义：节点类（当前单链表的值设定为int类型）

kotlin 复制代码 
public static class Node<T>{
    T data;
    Node<T> next;

    public Node(T data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }

    public Node(T data,Node<T> next){
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
}

2、单链表的逻辑结构（简单图解说明）

kotlin 复制代码 
head（头节点） → 节点1(val=1, next=节点2) → 节点2(val=2, next=节点3) → 节点3(val=3, next=null)

头节点 head 是链表的"入口"，若 head = null，则链表为空；

遍历链表必须从 head 开始，通过 next 依次访问下一个节点。

三、单链表核心操作

1、单链表的初始化

csharp 复制代码 
public static class List<T>{
    Node<T> Head;//表示头节点
    Node<T> Tail;//表示尾节点
    int size;//表示链表的长度

    public List() {
        this.Tail = null;
        this.Head = null;
        this.size = 0;
    }

    public void addFirst(T data){
        Head=new Node<>(data,Head);
        if(Tail==null){
            Tail=Head;
        }
        size++;
    }

2、单链表的遍历

csharp 复制代码 
public void loop(){
    Node<T> p=Head;
    while(p!=null){
        System.out.print(p.data+" ");
        p=p.next;
    }
}

要点：

  • 为什么要用临时指针？

    若直接用 Head = Head.next 遍历，会导致头节点被覆盖，后续无法再访问链表（链表「丢失」）。临时指针 p 是遍历的标准做法。

  • 循环条件 p != null vs p.next != null ?

    用 p != null：会遍历到最后一个节点（p 指向尾节点时，p.next 是 null，但仍会执行打印），适合「打印所有节点」；

用 p.next != null：会提前终止（最后一个节点不打印），适合「找尾节点的前驱」等场景（如尾插法）。

  • 性能优化：StringBuilder的作用

    若直接用 System.out.print(p.data + " ")，每次字符串拼接都会创建新对象（Java 中字符串不可变），遍历长链表时性能较差。StringBuilder 可减少内存开销。

3、单链表插入节点（3种场景）

1、头插法

顾名思义，就是从头部插入节点，代码实现如下：

ini 复制代码 
public void addFirst(T data){
    Head=new Node<>(data,Head);//新节点的next指向原头节点
    if(Tail==null){
        Tail=Head;
    }
    size++;
}
（1）为什么要判断 Tail == null？
ini 复制代码 
if (Tail == null) { 
    Tail = Head; 
}
  • 当链表为空时（Head 和 Tail 均为 null），插入第一个节点后：
    • 该节点既是头节点（Head），也是尾节点（Tail），因此需要让 Tail 指向这个新节点；
    • 若不处理，后续尾插法可能因 Tail 为 null 导致空指针异常。
（2）size++ 的必要性
  • size 记录链表长度，避免每次获取长度都需要遍历链表（O (n) → O (1)）；
  • 适合需要频繁判断链表长度的场景（如判断是否为空、限制最大长度等）。

2、尾插法

顾名思义，就是从尾部插入节点，代码实现如下：

ini 复制代码 
public void addLast(T data){
    Node<T> newNode=new Node<>(data);
    if(Tail==null){
        Head=newNode;
        Tail=newNode;
    }
    else{
        Tail.next=newNode;
        Tail=newNode;
    }
    size++;
}
（1）当链表为空时（Tail == null）
  • 新节点既是头节点（Head = newNode），也是尾节点（Tail = newNode）；
  • 避免了后续操作中因 Head 或 Tail 为 null 导致的空指针异常。
（2）当链表非空时（Tail != null）
  • 先让当前尾节点的 next 指向新节点（Tail.next = newNode），将新节点链接到链表尾部；
  • 再将尾指针更新为新节点（Tail = newNode），确保 Tail 始终指向最后一个节点。
头插法和尾插法的比较

学到这里，想必大家都学会两种方法的使用，但具体在什么场景下使用，我们用下面的表格给大家解释

操作 头插法 尾插法
时间复杂度 O (1)（无需遍历） O (1)（若有 Tail 指针）
适用场景 需高频在头部插入（如栈） 需高频在尾部插入（如队列）
链表顺序 插入顺序与链表顺序相反 插入顺序与链表顺序一致

3、单链表任意位置插入

前面我们掌握了头部插入 和尾部插入 这两种特殊位置的插入方式，但实际开发中，更多场景需要在链表的任意位置 插入节点 ------ 比如在第 3 个元素前插入新值，或在值为10的元素后插入补充数据。这就需要更通用的插入逻辑，我们分两种情况来实现：

（1）按索引插入

如果我们知道要插入的索引，可以通过找到目标位置的前驱节点来完成插入。不过在此之前，我们需要一个辅助方法：根据索引查找节点。

这个方法的作用是：给定索引index，返回链表中对应位置的节点（索引从 0 开始，若索引越界则返回null）。实现逻辑如下：

ini 复制代码 
public Node<T> findNode(int index){
   Node<T> p=Head;
   int i=0;
   while(p!=null){
       if(index==i){
           return p;
       }
       i++;
       p=p.next;
   }
   return null;
}

有了findNode方法，我们就可以实现按索引插入了，代码实现如下：

ini 复制代码 
public void insert(int index,T data){
   if(index==0){//往下标为0的位置添加元素
       addFirst(data);
       return;
   }
   Node<T> prev = findNode(index - 1);
   if(prev==null){//表示当前只有一个头节点，没有找到该节点的上一个节点
       throw new IllegalArgumentException( String.format("index [%d] 不合法%n",index));
   }
   if(index==size){
       Tail=prev.next;
   }
   prev.next=new Node<>(data,prev.next);
   size++;
}

核心思路：

  • 若插入位置是头部（index=0），直接复用addFirst；
  • 否则找到index-1位置的前驱节点，通过前驱节点完成插入；
  • 若插入位置是尾部（index=size），需同步更新尾指针；
（2）按目标值插入

另一种常见场景是：我们不知道具体索引，但知道要在某个值为target的节点后插入新节点，代码实现如下：

ini 复制代码 
public void insert2(T target,T data){
    Node<T> p=Head;
    while(p!=null){
        if(p.data.equals(target)){
            Node<T> newNode = new Node<>(data);
            newNode.next=p.next;
            p.next=newNode;

            if(p==Tail){
                Tail=newNode;
            }
            size++;
            return;
        }
        p=p.next;
    }
    System.out.println("没有找到该元素对应的节点");
}

核心思路：

  • 先找到值为target的节点，再以该节点为前驱完成插入；
  • 若目标节点是尾节点，插入后新节点会成为新的尾节点，需同步更新Tail；
按索引插入和按目标值插入的比较

按索引插入和按目标值插入虽然逻辑不同，但本质上都遵循单链表插入的核心原则：通过前驱节点的指针调整完成插入。接下来我们通过表格对比一下这两种方式的适用场景

操作 insert（按索引插入） insert（按目标值插入）
核心 索引（需知道插入位置） 目标值（需知道插入位置的前驱节点值）
时间复杂度 O (n)（查找前驱节点 findNode 遍历） O (n)（遍历查找目标节点）
适用场景 已知位置的插入（如在第 3 个元素前插入） 已知前驱值的插入（如在值为 5 的元素后插入）

4、单链表删除节点

按索引删除节点

ini 复制代码 
public void delete1(int index){
    if(index<0||index>=size){
        throw new IllegalArgumentException( String.format("index [%d] 不合法%n",index));
    }
    if(Head==null){
        throw new IllegalArgumentException( String.format("index [%d] 不合法%n",index));
    }
    if(index==0){
        Head=Head.next;
        if(Head==null){
            Tail=null;
        }
    }
    else{
        Node<T> prev = findNode(index - 1);
        Node<T> delete = prev.next;

        prev.next=delete.next;
        if(delete==Tail){
            Tail=prev;
        }
    }
    size--;
}
代码逻辑拆解

  1. 严格的索引合法性校验

    arduino 复制代码 
    if (index < 0 || index >= size) {
    throw new IllegalArgumentException(String.format("index [%d] 不合法%n", index));
}
if (Head == null) { // 空链表无法删除
    throw new IllegalArgumentException(...);
}
    • 索引范围必须在 [0, size-1]（index >= size 直接越界）；
    • 空链表删除操作直接抛异常，避免后续空指针。

  2. 删除头节点（特殊场景）

    ini 复制代码 
    if (index == 0) {
    Head = Head.next; // 头节点后移
    if (Head == null) { // 若删除后链表为空
        Tail = null; // 尾节点同步置空
    }
}
    • 头节点没有前驱，直接让 Head 指向原头节点的 next；
    • 若删除后链表为空（Head == null），需将 Tail 也置为 null（保持头、尾指针逻辑一致）。

  3. 删除非头节点（通用场景）

    ini 复制代码 
    else {
    Node<T> prev = findNode(index - 1); // 找到前驱节点
    Node<T> delete = prev.next; // 待删除节点
    prev.next = delete.next; // 前驱节点跳过待删除节点
    if (delete == Tail) { // 若删除的是尾节点
        Tail = prev; // 尾节点更新为前驱节点
    }
}
    • 核心逻辑：通过前驱节点 prev 的 next 指针跳过待删除节点（prev.next = delete.next），使待删除节点脱离链表；
    • 特殊处理：若删除的是尾节点，需将 Tail 更新为前驱节点（确保 Tail 始终指向最后一个节点）。

  4. 更新长度

    arduino 复制代码 
    size--;

    删除后链表长度减 1，保持 size 与实际长度一致。

到这里，单链表的核心操作就全部讲解完毕了。从节点定义到增删改查，我们一步步揭开了单链表的神秘面纱 ------ 它没有数组的连续内存限制，却通过指针的灵活跳转实现了高效的插入与删除，这种 "以空间换时间" 的设计思路，正是数据结构的魅力所在。

学习数据结构就像搭建积木，基础越扎实，越能组合出复杂而高效的算法。或许初期会对指针的跳转感到困惑，但只要多动手实现、多画图分析，就能慢慢掌握其中的规律。正如华罗庚所说："聪明在于学习，天才在于积累。" 每一行代码的练习，每一次调试的思考，都是在为更复杂的算法世界铺路。

希望这篇文章能成为你数据结构学习路上的一块垫脚石，接下来不妨试试用单链表实现一个简单的队列或栈，让知识在实践中真正沉淀～

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