《重学数据结构与算法》：请手写一个简易的单链表

Posted 2023-03-06 中间件兴趣圈

我现在有点明白了，在面试过程中面试官有时会让我们手写代码，其实主要是考验大家的基本功，更是通过大众都熟悉的领域来考核大家的体系化思维与应对思路。

而数据结构又是编程领域最基本知识，因为编程的世界中必须解决的问题：存储。

接下来笔者会从自己角度，重新开始学习数据结构，并将学习到的内容与大家一起探讨，交流，共同进步。

温馨提示：本文主要以单链表表为例进行展开，因为单链表的反转、检测环都是常见面试题。

1、链表是什么？具备哪些基本特征？

面试官让我们手写一个链表，那我们首先快速梳理出链表的基本特征。

特意从百度百科上查询了链表的定义：

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表由一系列结点（链表中每一个元素称为结点）组成，结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。

基本特征如下：

• 物理存储非连续、逻辑通过指针实现顺序性,其示例图如下所示：
  

• 数据结构分为指针域和数据域

面向对象编程，类不仅要定义属性，还需要抽象出行为(方法)，思考如下：

通知在面试过程中，只需要基本实现增、删、改、查即可。

2、图解与代码实现

链表的类图如下：

链表的存储结构如下图所示：

接下来将从代码角度来实现一个简易的链表。

2.1 基础代码

链表的基础数据如下所示：

public class LinkedList<T> 

    /** 指针域*/
    // 头节点
    private DataNode<T> header;
    // 从节点
    private DataNode<T> tail;

    private int size;


    /**
     * 数据节点
     * @param <T>
     */
    private class DataNode<T> 
        public T value;
        public DataNode<T> next;

        public DataNode(T value) 
            this.value = value;
        
    

2.2 指定下标插入节点

上面主要是定义基本的数据结构，接下来我们看一下在链表的中间插入新的数据。

在指定下标处插入节点，该节点作为新节点的前驱节点，暂存它的next指针，谨防该指针会丢失，图示如下：

代码如下所示：

public void add(int index, T value) 
        if(index >= size) 
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException();
        
        DataNode<T> node = new DataNode<>(value);
        DataNode<T> prev = get(index);

        DataNode<T> tmp = prev.next;  // @1
        prev.next = node;             // @2
        node.next = tmp;              // @3
    

链表的插入首先找到前驱节点，暂存它的next指针，谨防该指针会丢失，图解如下图所示：

上述三行代码的说明如下：

• @1：首先创建一个临时节点，用于暂存前驱节点的next
• @2：前驱节点的next指针重新指向待插入的节点
• @3：新节点的next指针指向原前驱节点的next指针

优化点：其实我们发现，前驱节点是要暂存，但是否真有必要开辟一个临时节点，其实不需要，直接将其赋值给新节点的next即可。优化代码如下：

node.next = prev.next;
prev.next = node;

2.3 移除指定下标处节点

移除指定下标处节点的示例图：

正如上图所示，要移除下标为2的节点，即图中的第三个节点，核心关键点还是需要找到待删除节点的前驱节点，然后前驱节点的next等于待删除节点的next即可，故实现代码如下：

public T remove(int index) 
        if(index >= size) 
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException();
        

        DataNode<T> pre = get(index - 1 );
        DataNode<T> cur = pre.next;

        pre.next = cur.next;
        // help GC
        cur.next = null;

        size --;
        return cur.value;
    

2.4 单链表反转

所谓的单链表反转，就是将原链表逆序输出结果，其示例图如下：

单链表的反转，需要做的事情是将当前节点的next指针指向前驱节点。

但由于单链表只有next指针，故从头节点开始遍历的过程中，遍历指针前进到的当前节点时，需要能方便的访问到该节点的前驱动。

另外一个核心点就是，在遍历过程中，对当前节点的next指针进行操作(赋值为前驱节点)时必须暂存该节点的next指针，否则next指针丢失，无法遍历到链表的结尾。

基于上述思路，链表反转的具体操作流程如下图所示：

基于上述思路，代码编写如下所示：

public void reverse() 
        // 从头节点开始遍历
        DataNode<T> cur = header;
        // 记录当前节点到 prev 前驱节点
        DataNode<T> cur_prev = null;
        // 暂存当前节点到next指针
        DataNode<T> cur_next = null;

        // 从当前节点开始遍历，直接到尾部
        while(cur != null) 
            //反转之前，先暂存相关节点
            cur_next = cur.next;
            cur.next = cur_prev;
            cur_prev = cur;
            // 继续遍历下一个节点
            cur = cur_next;
        
        
        //反转 header ,tail
        DataNode<T> tmp = header;
        header = tail;
        tail = tmp;
    

链表的其他方法实现，基本差不多，从编写代码的过程中，不难看出链表的操作，主要是操作各个节点的指针。

3、常见面试题

3.1 链表与数组的区别

链表与数组的区别可以从如下几个方面展开：

• 内存布局
• 插入性能
• 查找性能

3.1.1 内存布局

数组必须申请连续的内存，即物理上连续，例如当前jvm虚拟机当前还剩150M内存，但此时尝试去创建一个100M内存，可能无法分配内存而触发垃圾回收，而链表是逻辑连续，物理上不连续，因为时通过指针进行定位。

3.1.2 插入性能

链表在头、尾节点插入性能极佳，如果需要在链表的随机位置插入数据，需要先从头节点开始遍历，先找到相关待插入节点的前驱节点，后续的插入操作只需要涉及指针赋值，性能表现佳，而数组的插入由于需要涉及数据的复制、移动，从而带来较大性能损耗。

3.1.3 查找性能

数组最大的优势是随机查找能力，其时间复杂度为O(1)，即数组可以根据下表快速定位到需要查询到数据。而链表只能是从头节点或尾节点开始遍历。

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