带你新学期领跑！8000字吐血总结数据结构之单链表

Posted 2021-09-21 国家一级建筑师

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了带你新学期领跑！8000字吐血总结数据结构之单链表相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

单链表详解

一、前言
二、什么是链表？
三、单链表的实现
四、LeetCode和剑指Offer上的单链表面试题
五、其他练习题

一、前言

在上篇文章中，我们详细的讲解了顺序表，这里链接给大家放在下面。没看过的同学可以看一看，因为单链表就是在顺序表之上，做出优化的线性表。

新学期预习吗？保姆级讲解数据结构之顺序表的9个方法+手撕代码

大家还记得顺序表中的add方法吗？那写起来简直是一个麻烦，又要考虑pos下标是否合法，还得一个一个的把后面的元素移到前面，这样一来，不仅代码写起来麻烦，代码执行的时间复杂度也高。但也不是没有优点。

顺序表：由数组构成，那么它也就包含了数组的特性。

优点：
1、查询元素时非常方便快捷，可以通过一个下标，能够快速的找到当前的数据。O(1).

缺点：
1、每次都会浪费大小不等的内存，假设当前数组大小为20；如果你要放第21个元素的时候，就需要扩容，假设扩容2倍后，大小是40，只放一个元素，那么剩下19个就浪费掉了。
2、每次扩容的时候，都需要拷贝数组的内容，拷贝的过程中也是需要时间的，造成一定程度资源的浪费。
3、删除和插入数据的时候，都需要移动数据。

那么问题来了，有没有一种表，又不浪费内存，删除、插入数据的时候还方便快捷呢？

这时候能够解决上面三个问题的链表来了！

二、什么是链表？

2.1、链表的概念：

链表是一种物理存储结构上非连续存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的引用链接次序实现的。

2.2、链表的分类：链表的结构非常多样化，根据带头和不带头，双向和单向，循环和不循环可以组成很多种链表。

随便链表的种类有很多，但是只需要重点掌握两种即可。

2.2、两种重要的单链表

1、无头单向非循环链表：结构简单，一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结构的子结构，如哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在笔试面试中出现很多。

1、无头双向循环链表：在Java集合框架当中，LinkedList的底层就是由这种链表实现的。

注意：每个链表的400、200、300均为节点的引用地址，实际上是以16进制的方式存储的，这里我为了画图方便，进行了简写。

2.3、关于单链表的一些基础知识

1、链表在逻辑上是连续的，但是物理上不一定是连续的。这里的物理上，指的是内存地址上。

2、单链表的值域：
对于单链表来说，每一个节点都3个属性，在下图中最上面的123，指的是当前节点的地址(本来应该是16进制，这里为了方便说明用10进制)。val域：val是value的缩写，就是值的意思，这里存放的是当前节点需要存储的信息。
next域：它的类型是一个节点类型。由于单链表在逻辑上是连续的，故对于一个节点来说，它不仅需要存放自己的val值，它还需要存放自己的下一个节点的地址->next，以此来实现逻辑上的连续。

3、单链表的结构

头节点+数据节点

三、单链表的实现

光说不练假把式，我们了解了链表的结构、用处。现在我们来亲手实现一个自己的单链表。

3.1、穷举法创建一个简单的链表

这里我先用穷举的方式一一创建节点，这样方便理解，下文再讲述用其他方法创建链表

public class MylinkedList {
    public  ListNode head;//标识这个链表的头
    /**
     * 穷举法，最简单的方式把链表一个一个列举出来。
      */
    public  void createList(){
        ListNode listNode1=new ListNode(12);
        ListNode listNode2=new ListNode(13);
        ListNode listNode3=new ListNode(23);
        ListNode listNode4=new ListNode(33);
        ListNode listNode5=new ListNode(44);
        listNode1.next=listNode2;
        listNode2.next=listNode3;
        listNode3.next=listNode4;
        listNode4.next=listNode5;
        //head引用 引用的是listNode1引用 引用的对象
        this.head=listNode1;

    }
}
class ListNode{
   public  int val;//值
   public ListNode next;//储存下一个节点的地址，它是一个引用

    /**
     * 不带参数的构造方法
     */
    public  ListNode(){

    }
    /**
     * 带一个参数的构造方法
     */
    public  ListNode(int val){
       this.val=val;
   }
}

现在链表有了，那么问题来了，数组可以通过for循环的方式遍历链表，或者直接通过数组下标找到某个节点，那如何遍历链表当中的每个元素呢？

先看这样一行代码：

head=head.next;

大家都知道head代表的是头结点的一个引用。这行代实际上是在修改引用，那把head修改到哪里呢？next指的是当前节点的下一个节点的地址，那么head.next意思就是head的下一个节点，这行代码就是让head走到它下一个节点的位置。现在它走到了listNode2的位置。

接下来再看这样一行代码

head=head.next.next

聪明如你，假如当前head是listNode2，那么head.next就是listNode3的地址就指的是234，它后面再加一个next，就再指向在一个地址就是了。所以它的意思是让从listNode2走到listNode4的位置。

慢慢的我们发现，我们可以通过head=head.next的方式让head这个引用不停的指向下一个节点，这难道不就是在遍历链表吗？我们让head走头开始，每走过一个节点，打印一个节点对应的val值。直到走到最后一个节点。

接下来我们来实现这个方法。

3.2、遍历链表

上面我们已经知道了遍历链表的方式是让head一直等于head.next。我们如果需要遍历整个链表，就需要给他加一个限制条件。考虑到head具有特殊的含义，我们这里用一个cur节点来遍历链表。this.head=!null

 /**
     *遍历链表
     *
     */
    public  void disPlay(){
        ListNode cur=this.head;
       while (cur!=null){
           /**
            * 注意不能while循环的判断条件不能写成
            * this.head.next!=null。
            * 这样的话，最后一个节点是不能被打印的
            *
            */
           System.out.println(this.head.val);
           cur=cur.next;
       }
          System.out.println();
    }

总结：如果想遍历完链表，一定得是cur！==null，这样才算是遍历完了。

有了上面的基础，接下来我们在实现一些更复杂的方法。

3.3、得到链表的长度

思路是遍历一遍链表，定义一个计数器count，每遍历一个节点就让count+1,遍历完成后，返回count的值就是链表的长度了。

上代码！

 //得到单链表的长度
    public int size(){
        int count=0;
        ListNode cur=this.head;
        while (cur!=null){
            count++;
            cur=cur.next;
        }
        return count;
    }

size方法和display方法差别在多了一个计数器，在同样遍历遍历的基础下，display方法是打印链表的val值，而size方法是让计数器count+1.

3.4、头插法

1、刚刚我们以穷举法这样的方式创建了一个链表，现在我们用头插法创建链表。

对于两种链表，两种不同的头插法方式。

（1）：对于无头单向链表。

用蓝色字体的Node节点是需要头插的节点，它当前的val值是110，地址是777，next域是null。对于没有头结点的链表，头插法就是直接把需要插入的节点放到当前链表的第一个位置即可。

如图：

对于单向有头链表头插法就需要把插入的元素放到head节点和head下一个节点直接，因为有头的链表，head不能变。

如图：

上代码！

   //头插法   无头单向链表
    public void addFirst(int data){
   ListNode Node=new ListNode(data);
   Node.next=this.head;
   this.head=Node;
    }

3.5、尾插法

尾插法顾名思义，和头插法相似，尾插法把需要插入的节点插入到链表的尾部即可。但是问题来了，头插法可以直接插是因为链表本来就有head节点，但是链表并没有特别指出尾巴在哪里。所为尾插法第一个要做的是就是找到链表的尾巴，然后在插入到最后。修改next。

1、找尾巴：找尾巴还是和size方法类似，定义一个cur节点，让他一直遍历，直到cur.next==null，就找到尾巴了。这时停止循环，不然就指向下一个节点。

2、修改next：找到尾巴之后，让cur.next=Node就好。让链表原本的尾巴，指向现在的Node节点。

3、还有一件事：万一链表是空的呢？那就是第一次插入了，这时直接让head=node就好。

上代码！

   //尾插法
    public void addLast(int data){
        ListNode node=new ListNode(data);
        //第一次和不是第一次
        if(this.head==null){
            this.head=node;
        }
        else {
            ListNode cur=this.head;
            while (cur.next!=null){
                cur=cur.next;
            }
            cur.next=node;
        }
    }

3.6、任意位置插入节点

这个方法的意思就是在某一个位置，插入一个节点。第一个数据节点为0号下标，以此类推。

这时，需要修改的域有，上一个节点的next域，因为插入后它的next域就应当是当前插入节点的地址了，还有就是当前节点的next域，把它的next域修改成原本3号下标节点的地址。以下是插入的步骤和特殊情况处理。

我们先相处一个基础版的代码：

node.next=cur.next;
cur.next=node;

0、index位置小于0或者比链表长度还大怎么办？

1、需要找到插入位置的前一个节点的地址，在上图是需要先找到1号下标节点的地址。

2、0位置可没有前一个节点。

3、要插入到最后一个节点怎么做？

这些问题，都会在代码中解决。

4、找到index下标前一个节点的方法 findInddexSubOne
让一个引用从头开始，走index-1步，这是这个引用指向的就是前一个节点。

   /**
     * 让一个引用从头开始，走index-1步
     * @param index
     * @return
     */
    public  ListNode findInddexSubOne(int index){
       int count=0;
       ListNode cur=this.head;
       while (count!=index-1){
           cur=cur.next;
           count++;
       }
       return  cur;

    }

整个方法代码如下：
它有点长，你忍一下。

    //任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
    public void  addIndex(int index,int data){
        //1、判断index是否合法
        if(index<0 ||index >size()){
            System.out.println("index位置不合法");
            return;
        }
        //2、index为0，直接头插法
           if(index==0){
               addFirst(data);
               return;
           }

        //3、index==size()，直接尾插法
           if(index==size()){
               addLast(data);
               return;
           }

        /**
         * 4、正常的情况
         *  cur指向的是一个index-1位置的节点
         */
        ListNode cur=findInddexSubOne(index);
        ListNode node=new ListNode(data);
        node.next=cur.next;
        cur.next=node;


    }

    /**
     * 让一个引用从头开始，走index-1步
     * @param index
     * @return
     */
    public  ListNode findInddexSubOne(int index){
       int count=0;
       ListNode cur=this.head;
       while (count!=index-1){
           cur=cur.next;
           count++;
       }
       return  cur;

    }

3.7、查找是否包含关键字key是否在单链表当中

遍历链表，定义一个cur引用，从链表的头开始，如果cur的val值和key相等了，就返回true，如果遍历完了，还没有找到，那就是没有，返回false。

方法代码如下：

    //查找是否包含关键字key是否在单链表当中
    public boolean contains(int key){
        ListNode cur=this.head;
        while (cur!=null){
            if(cur.val==key){
              return  true;
            }
        }
        
return  false;
    }

3.8、删除所有节点

由于链表是都 next域一个个连接起来的，那么删除所以节点的一个粗暴的方法就是把所有的next置空，让每个节点都找不到下一个节点，这样链表就连接不起来，就算是删除了。

第一次尝试：我们试试是否可以像之前遍历链表一样，将每次经过的cur节点置空它的next域，这样就把整个链表删完了。

但是当我们实际操作的时候发现，当你将cur节点的next域删除的时候，那它要怎么找到下一个节点呢？

我们在定义一个节点curNext保存cur下一个节点就是了。这样每次删除的时候，curNext还可以指向下一个节点。删除完之后再让cur指向curNext。

还有一件事！
节点还有头结点没有删除，所以当循环走完，我们还需要让head节点置空，这样就是真正的把所有节点删除了。

上代码！

  //删除所有节点
    public void clear(){
        ListNode cur=this.head;
        while (cur!=null){
            ListNode curNext=cur.next;
            cur.next=null;
            cur=curNext;
        }
        this.head=null;
    }

3.9、删除第一次出现关键字为key的节点

假设要删除的节点是6，下标为del，我们只需要找到它的前驱节点prev，直接让这个前驱节点和del的下一个节点相连，就变向的忽略的del节点，这就算是删除这个这点了。

总结：
1、找到待删除节点的前驱节点和下一个节点
2、将前驱节点的next域指向待删除节点的next域。
3、有一种特殊情况是头结点是需要删除的节点。那么直接置空就好。

具体细节都在代码中，找到前驱节点我写成了一个方法search在下面的代码中

    //找到前序节点 服务于  删除第一次出现关键字为key的节点
    public  ListNode searchPrev(int key){
        ListNode prev=this.head;
        while (prev!=null){
            if(prev.next.val==key){
                return  prev;
            }
            prev=prev.next;
        }
        return  null; //找完了都没返回，说明没有找到这个节点。
    }

删除方法

 //删除第一次出现关键字为key的节点
    public void remove(int key){
    //0、头结点是要删除的节点

        if(this.head.val==key){
            this.head=this.head.next;
            return;
        }
    //1、找到要删除节点的前驱节点
    ListNode prev=searchPrev(key);
        if(prev==null){
            System.out.println("没有你要删除的节点");
            return;

        }
    //2、开始删除节点
      ListNode del=prev.next;
        prev.next=del.next;
    }

3.10、删除所有值为key的节点

1、上面我们已经写了9个方法了，相信大家单链表已经掌握的不错了，这是最后一个方法。我们这次将难度上升到面试的高度！在只遍历链表一遍的情况下，删除所有值为key的节点。

如下图，有两个val值为45的节点，我们这个方法需要只遍历链表一遍，就删除这两个val值为45的节点。

思路：
1.定义cur为当前要删除的节点，prev为删除节点的前驱节点，每次判断cur.val是否等于key，如果等于key就把prev.next指向cur.next。如果不相等，就让cur和prev一起向后走。

上代码

  //删除所有值为key的节点
    public void removeAllKey(int key){
       ListNode prev=this.head;
       ListNode cur=this.head.next;
       while (cur!=null){
           if(cur.val==key){
               prev.next=cur.next;
               cur=cur.next;
           }
           else {
               prev=cur;
               cur=cur.next;
           }
       }
       //别忘了头结点
       if(this.head.val==key){
           this.head=this.head.next;
       }
    }