跟着动画学习 GO 数据结构之 Go 链表

Posted 2022-01-11 宇宙之一粟

介绍

我们知道 Go 的数组和切片非常方便对数据进行访问，但是假如我们有一个长度为 5 的数组 ​​[1, 2, 3, 4, 5]​​，想要往其中 3 和 4 之间插入一个元素 6，就往往不是非常容易了。为啥呢？

一般解决的方法是首先创建一个长度大于 5 的新数组，因为这个数组的长度首先要能存储旧数组的数组，同时能有多余的位置存储新增加的元素 6。

这其中有个操作会很费时，就是复制操作：需要把原来数组中的数据复制到新的内存空间。

因此，我们有一个更合适的数据结构叫做链表。

链表

链表由一系列节点构成，每个节点就是一个记录。链表是一种递归的数据结构，它要么为空（null），或者是指向一个节点的引用，英文叫 Linked List。通常由许多的元素构成，这些元素也叫节点（node），节点由两部分构成：数据域和指针域。

• 数据域：数据域用来存储数据，可以存储基本数据类型如整型，也可以存储其他复杂数据类型。
• 指针域：指针域部分用来存储链表中下一个元素的地址。

节点的 UML 图如下：

节点的代码表示：

type Node struct 
  data int
  next *Node

链表的类型

链表有很多种类型，其主要的区别是节点引用方式的区别：单向、双向、首尾连接。

单链表

单链表就是单向的，

每一个节点都有一个指向下一个节点的引用，除了最后一个节点。节点的引用部分包含下一个节点的地址。 最后一个节点的引用部分包含值 ​​null​​。

双链表

双链表是双向的，双链表中的节点同时引用了链表中的上一个和下一个节点。

现实生活中一个双链表的地址就是我们的地铁的某条线路，每条线路都有一个来回，而每一个站点就是一个节点：

环形链表

这种类型类似于单向链表，只是最后一个元素引用了链表的第一个节点。 最后一个节点的链接部分包含第一个节点的地址。

1. Head：Head 是一个引用，保存着链表中第一个节点的地址。
2. 节点：链表中的项目称为节点。
3. 值：链表的每个节点中存储的数据。
4. 引用：节点的链接部分用于存储其他节点的引用。我们将使用“next”和“prev”来存储下一个或上一个节点的地址。

单链表的操作

链表的操作也不外乎于增删改查，再加上一些特定的操作。链表是一种动态的数据结构，数据结构栈和队列都可以用链表实现的。链表的创建、添加和删除操作很容易；当元素被动态添加时，会消耗更多的内存，因为动态数据结构并不固定。

1. 遍历：像数据那样随机检索在单链表中是不可能的，因为需要遍历节点来寻找一个定位的节点。
2. 增加：插入单链表可以在列表的开头或结尾，以及指定节点之后。（头插、尾插、指定位置插入）
3. 删除：删除可以发生在列表的开始或结束处，以及在一个指定的节点之后。
4. 判空：判断一个链表是否为空
5. 获取链表长度
6. 查找是否包含指定值
7. 反转：面试高频题

创建单链表

定义链表的结构体：

链表的节点包含一个指向下一个节点的指针，每一个节点都保存一个数据域。

通常的做法是把数据域定义为接口 ​​interface​​：

type Node struct 
  data interface // 数据域: 链表不要求全为相同的类型，所以利用一个接口在存储数据
  next *Node // 指针域：指向下一个节点

链表通常由头节点（指向第一个节点的指针）和它的长度组成。长度域 ​​size​​ 存储了链表的长度，头结点 ​​headNode​​ 存储了链表头结点或者第一个节点（首元节点）的内存地址：

// define a ListNode in a singly linked list
type LinkedList struct 
  headNode *Node // 头节点
  size int // 存储链表的长度

创建一个单链表：

func CreateLinkList() *LinkedList 
  // 创建一个空的头节点
  node := new(Node)
  l := new(LinkedList)
  l.headNode = node
  return l

链表的长度

// 返回链表的长度
func (linkedList *LinkedList) Length() int 
  return linkedList.Count()


func (linkedList *LinkedList) Count() int 
  size := 0
  currNode := linkedList.headNode
  for currNode != nil 
    size++
    currNode = currNode.next
  
  return size

链表判空

func (linkedList *LinkedList) isNull() bool 
  return linkedList.size == 0

插入元素

1. 头插

2. 中间插入

图解：

函数如下：

// Insert adds an item at position i
func (linkedList *LinkedList) Insert(pos int, v interface) 
  // 先检查待插入的位置是否正确
  if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 
    fmt.Println("Index out of bounds")
  
  newNode := &Nodedata: v
  var prev, current *Node
  prev = nil
  current = linkedList.headNode
  for pos > 1 
    prev = current
    current = current.next
    pos = pos - 1
  
  if prev != nil 
    prev.next = newNode
    newNode.next = current
   else 
    newNode.next = current
    linkedList.headNode = newNode
  
  linkedList.size++

3. 尾插

图解：

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Append(v interface) 
  node := &Nodedata: v
  if linkedList.isNull() 
    linkedList.headNode = node
   else 
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode.next != nil 
      currNode = currNode.next
    
    currNode.next = node
  
  linkedList.size++

遍历元素

假设 ​​head​​ 指针指向链表的第一个节点，为了遍历整个链表，我们需要进行如下几步操作：

• 跟随每个指针
• 随着每次遍历，记录下每个节点的数据（或者 count 计数）
• 当最后一个指针为空 nil时，停止遍历

图解如下：

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Traverse() 
  if linkedList.isNull() 
    fmt.Println("The LinkedList is empty")
  
  currNode := linkedList.headNode
  for currNode != nil 
    fmt.Printf("%v -> ", currNode.data)
    currNode = currNode.next
  
  fmt.Println()

删除元素

1. 头部删除

图解

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) DeleteFirst() interface 
  if linkedList.isNull() 
    fmt.Println("deleteFirst: List is empty")
  
  data := linkedList.headNode.data
  linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
  linkedList.size--
  return data

2. 中间删除

图解：

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Delete(pos int) interface 

  if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 
    fmt.Println("delete: Index out of bounds")
  
  var prev, current *Node
  prev = nil
  current = linkedList.headNode
  p := 0
  if pos == 1 
    linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
   else 
    for p != pos-1 
      p = p + 1
      prev = current
      current = current.next
    
    if current != nil 
      prev.next = current.next
    
  
  linkedList.size--
  return current.data

3. 尾部删除

图解：

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) DeleteLast() interface 
  if linkedList.isNull() 
    fmt.Println("deleteLast: List is empty")
  

  var prev *Node
  current := linkedList.headNode
  for current.next != nil 
    prev = current
    current = current.next
  
  if prev != nil 
    prev.next = nil
   else 
    linkedList.headNode = nil
  
  linkedList.size--
  return current.data

总结

好了有了上述函数，我们可以汇总到一起来检验我们的函数是否正确，创建一个 ​​main.go​​ 文件：

package main

import "fmt"

type Node struct 
    data interface
    next *Node


type LinkedList struct 
    headNode *Node // 头节点
    size     int   // 存储链表的长度


func CreateLinkList() *LinkedList 
    // 创建一个空的头节点
    node := new(Node)
    l := new(LinkedList)
    l.headNode = node
    return l


// 返回链表的长度
func (linkedList *LinkedList) Length() int 
    return linkedList.Count()


func (linkedList *LinkedList) Count() int 
    size := 0
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode != nil 
        size++
        currNode = currNode.next
    
    return size


func (linkedList *LinkedList) isNull() bool 
    return linkedList.size == 0


func (linkedList *LinkedList) Traverse() 
    if linkedList.isNull() 
        fmt.Println("The LinkedList is empty")
    
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode != nil 
        fmt.Printf("%v -> ", currNode.data)
        currNode = currNode.next
    
    fmt.Println()
    return


func (linkedList *LinkedList) InsertHead(v interface) 
    node := &Nodedata: v
    if linkedList.isNull() 
        linkedList.headNode = node
        linkedList.size++
        return
     else 
        node.next = linkedList.headNode
        linkedList.headNode = node
    
    linkedList.size++
    return


func (linkedList *LinkedList) Append(v interface) 
    node := &Nodedata: v
    if linkedList.isNull() 
        linkedList.headNode = node
     else 
        currNode := linkedList.headNode
        for currNode.next != nil 
            currNode = currNode.next
        
        currNode.next = node
    
    linkedList.size++


// Insert adds an item at position i
func (linkedList *LinkedList) Insert(pos int, v interface) 
    // 先检查待插入的位置是否正确
    if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 
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