数据结构学习链表

Posted 2021-03-06 yfyyy

线性结构-链表

链表介绍

链表是有序的列表，在内存中的存储为：

• 链表是以节点的方式来存储
• 每个节点包含data域，next域：指向下一个节点
• 各个节点不一定是连续存储的
• 链表分带头结点和不带头节点，根据实际需求来确定

单链表应用

使用带头节点的单向链表实现水浒传英雄排行榜

• 方法一、添加英雄时，直接添加到链表的尾部
• 方法二、根据排名将英雄插入到指定位置

添加

• 创建一个head头节点，作用就是表示单链表的头
• 没增加一个节点，就直接加入到链表的最后

遍历

• 通过一个辅助变量直接遍历

方法一代码实现（不考虑编号顺序）

节点

package cn.imut;

//英雄节点
public class HeroNode {
    private int no;
    private String name;
    private String nickname;    //昵称

    public HeroNode next;      //指向下一个节点

    //构造器
    public HeroNode(int hNo, String hName, String hNickname) {
        this.no = hNo;
        this.name = hName;
        this.nickname = hNickname;
    }

    //显示方便，重写toString
    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode{" +
                "no=" + no +
                ", name='" + name + ''' +
                ", nickname='" + nickname + ''' +
                '}';
    }
}

链表

package cn.imut;

//单链表，管理节点
public class SingLinkedList {
    //初始化一个头节点，不动，不放具体数据
    private HeroNode head = new HeroNode(0,"","");

    //添加节点到链表
    //当不考虑编号顺序时，直接找到最后的节点，使其next指向新的节点
    public void add(HeroNode heroNode){
        //头节点（head）不能动，所以需要辅助节点 temp
        HeroNode temp = head;
        //遍历链表，找到最后的节点
        while(true) {
            //找到链表的最后
            if(temp.next == null){
                break;
            }
            //如果没有找到，后移查找
            temp = temp.next;
        }
        //当退出循环时，temp就指向了链表的最后
        temp.next = heroNode;
    }

    //显示链表
    //head节点不能动，所以需要辅助变量
    public void list() {
        //判断链表是否为空
        if(head.next == null) {
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        HeroNode temp = head.next;
        while (temp != null) {
            //判断是否到最后
            //输出节点的信息
            System.out.println(temp);
            //将next后移
            temp = temp.next;
        }
    }
}

测试

package cn.imut;

public class SingLinkedListTest {
    public static void main(String[] args) {
        //进行一个测试
        //先创建节点
        HeroNode node1 = new HeroNode(1, "jishuo", "sb");
        HeroNode node2 = new HeroNode(2, "zhanglei", "nb");
        HeroNode node3 = new HeroNode(3, "yuanguowei", "qb");
        HeroNode node4 = new HeroNode(4, "suzhihui", "bb");
        HeroNode node5 = new HeroNode(5, "wangyanming", "mb");
        HeroNode node6 = new HeroNode(6, "wangbin", "zb");

        //创建链表，加入(无序)
        SingLinkedList singLinkedList = new SingLinkedList();
        singLinkedList.add(node1);
        singLinkedList.add(node4);
        singLinkedList.add(node3);
        singLinkedList.add(node2);
        singLinkedList.add(node5);
        singLinkedList.add(node6);

        //显示
        singLinkedList.list();
    }
}

方法二代码实现（有编号顺序）

• 通过辅助指针找到节点位置
• 新的节点.next = temp.next
• 将新的temp.next = 新的节点

//方式二添加
public void addByOrder(HeroNode heroNode) {
    //head不能动，仍然通过辅助变量
    //单链表，找到temp是位于添加位置的前一个节点，否则插入不了
    HeroNode temp = head;
    boolean flag = false;   //标识编号是否存在

    while (true) {
        if(temp.next == null) { //在链表最后
            break;
        }
        if(temp.next.no > heroNode.no) { //位置找到，就在temp后面插入
            break;
        }else if(temp.next.no == heroNode.no) { //说明希望添加的heroNode的编号已经存在
            flag = true;    //说明编号存在
            break;
        }
        temp = temp.next;   //后移，遍历当前链表
    }
    //判断flag的值
    if(flag) {  //不能添加，编号已经存在
        System.out.printf("准备插入的英雄的编号 %d 已经存在了，不能加入
", heroNode.no);
    }else {
        //插入到链表中，temp中
        heroNode.next = temp.next;
        temp.next = heroNode;
    }
}

测试

package cn.imut;

public class SingLinkedListTest {
    public static void main(String[] args) {
        //进行一个测试
        //先创建节点
        HeroNode node1 = new HeroNode(1, "jishuo", "sb");
        HeroNode node2 = new HeroNode(2, "zhanglei", "nb");
        HeroNode node3 = new HeroNode(3, "yuanguowei", "qb");
        HeroNode node4 = new HeroNode(4, "suzhihui", "bb");
        HeroNode node5 = new HeroNode(5, "wangyanming", "mb");
        HeroNode node6 = new HeroNode(6, "wangbin", "zb");

//        //创建链表，加入(无序)
//        SingLinkedList singLinkedList = new SingLinkedList();
//        singLinkedList.add(node1);
//        singLinkedList.add(node4);
//        singLinkedList.add(node3);
//        singLinkedList.add(node2);
//        singLinkedList.add(node5);
//        singLinkedList.add(node6);

        //创建链表，加入(有序)
        SingLinkedList singLinkedList = new SingLinkedList();
        singLinkedList.addByOrder(node1);
        singLinkedList.addByOrder(node4);
        singLinkedList.addByOrder(node3);
        singLinkedList.addByOrder(node2);
        singLinkedList.addByOrder(node5);
        singLinkedList.addByOrder(node6);
        singLinkedList.addByOrder(node6);

        //显示
        singLinkedList.list();
    }
}

修改功能

• 找到节点，替换即可

//修改节点的信息（根据no编号）
public void update(HeroNode newHeroNode) {
    //判断是否为空
    if(head.next == null) {
        System.out.println("链表为空");
        return;
    }
    //找到需要修改的节点
    HeroNode temp = head.next;
    boolean flag = false;
    while (true) {
        if(temp == null) {
            break;      //到链表的最后
        }
        if(temp.no == newHeroNode.no) {
            //找到
            flag = true;
            break;
        }
        temp = temp.next;
    }
    //根据flag判断是否找到要修改的节点
    if(flag) {
        temp.name = newHeroNode.name;
        temp.nickname = newHeroNode.nickname;
    }else {
        System.out.printf("没有找到 编号 = %d的节点
", newHeroNode.no);
    }
}

测试

//测试修改节点的代码
HeroNode node1_u = new HeroNode(1, "jishuo", "sbb");
singLinkedList.update(node1_u);

删除功能

• 找到要删除的前一个节点temp
• temp.next = temp.next.next
• 被删除的节点，将不会有其他引用指向，会被垃圾回收机制回收

//删除
public void del(int no){
    HeroNode temp = head;
    boolean flag = false;       //标志是否找到待删除节点

    while (true) {
        if(temp.next == null) {     //已经到链表的最后
            break;
        }
        if(temp.next.no == no) {
            //找到了待删除节点的前一个节点temp
            flag = true;
            break;
        }
        temp = temp.next;   //temp后移，遍历
    }
    //判断flag
    if(flag) {  //找到
        //可以删除
        temp.next = temp.next.next;
    }else {
        System.out.printf("要删除的 %d节点不存在
", no);
    }
}

测试

singLinkedList.del(6);

常见单链表面试题

求单链表中有效节点的个数

/**
     *获取单链表的有效个数(去掉头节点)
     * @param head  链表的头节点
     * @return  有效节点的个数
     */
public static int getLength(HeroNode head) {
    if(head.next == null) { //空链表
        return 0;
    }
    int length = 0;
    //定义一个辅助变量
    HeroNode cur = head.next;
    while (cur != null ){
        length++;
        cur = cur.next; //遍历
    }
    return length;
}

查找单链表中倒数第k个节点

• 编写方法，接收head节点，以及k
• 遍历链表，得到长度size
• 遍历 size - k 个，可以找到节点

public HeroNode getHead() {
    return head;
}

public HeroNode findLastIndexNode(HeroNode head, int k) {
    //判断如果链表为空，返回null
    if(head.next == null) {
        return null;    //没有找到
    }
    //第一个遍历得到链表的长度(size)
    int size = getLength(head);

    //第二次遍历size - k
    //校验k
    if(k <= 0 || k > size) {
        return null;
    }

    //定义辅助变量
    HeroNode cur = head.next;
    for(int i = 0; i < size - k; i++) {
        cur = cur.next;
    }
    return cur;
}

测试

HeroNode res = singLinkedList.findLastIndexNode(singLinkedList.getHead(),2);
System.out.println("res = " + res);

单链表反转

• 先定义一个节点 reverseHead = new HeroNode();
• 从头到尾遍历原来的链表，每遍历一个节点，就将其取出，并放在新的链表的最前端
• 原来的head.next = reverseHead.next

//单链表反转
public void reverSetList(HeroNode head) {
    //如果当前链表为空，或者只有一个节点，无需反转，直接返回
    if(head.next == null || head.next.next == null) {   //没有节点或者有一个节点
        return ;
    }

    //定义一个辅助的指针
    HeroNode cur = head.next;
    HeroNode next = null;   //指向当前节点[cur]的下一个节点
    HeroNode reverseHead = new HeroNode(0,"","");

    //遍历原来的链表，每遍历一个节点，就将其取出，并发在新的链表reverseHead 的最前端
    while (cur != null) {
        next = cur.next;    //暂存一下当前节点的下一个节点，后面需要使用
        cur.next = reverseHead.next;        //将cur的下一个节点指向新的链表的最前端
        reverseHead.next = cur;     //新的节点连接起来
        cur = next;     //让cur后移
    }
    //将head.next 指向 reverseHead.next ， 实现单链表的反转
    head.next = reverseHead.next;
}

测试

singLinkedList.reverSetList(singLinkedList.getHead());
singLinkedList.list();

从尾到头打印单链表

• 方式一、先将单链表反转，然后打印即可（会破坏单链表结构）不建议
• 方式二、利用栈数据结构，压栈，然后利用其先进后出特点

package cn.imut;

import java.util.Stack;

public class TestStack {
    public static void main(String[] args) {
        Stack<String> stack = new Stack<String>();
        stack.add("1");
        stack.add("2");
        stack.add("3");
        stack.add("4");

        while (stack.size() > 0) {
            System.out.println(stack.pop());    //将栈顶数据取出
        }
    }
}

//逆序打印
public void reverPrint(HeroNode head) {
    if(head.next == null) {
        return; //空链表，不能打印
    }
    //创建栈，将各个节点压入栈
    Stack<HeroNode> stack = new Stack<HeroNode>();
    HeroNode cur = head.next;
    //将链表的所有节点压入栈
    while (cur != null) {
        stack.push(cur);
        cur = cur.next;     //cur后移，这样就可以压入下一个节点
    }
    //将栈中的节点进行打印，pop出栈
    while (stack.size() > 0) {
        System.out.println(stack.pop());    //先进后出
    }
}

测试

System.out.println("测试逆序打印单链表，没有改变链表的结构~~");
singLinkedList.reverPrint(singLinkedList.getHead());

双向链表应用

• 单向链表，查找的方向只能是一个方向，而双向链表可以向前或者向后查找
• 单向链表不能自我删除，需要靠辅助节点，而双向链表，则可以自我删除，所以前面我们单链表删除时节点，总是找到temp的下一个节点来删除的

遍历

• 与单链表一样，只是双向都可以查找

添加

• 默认添加到双向链表最后
• 先找到双向链表的最后这个节点
• temp.next = newHeroNode
• newHeroNode = temp

修改

• 与单向链表一样

删除

• 因为是双向链表，因此，我们可以实现自我删除某个节点
• 直接找到要删除的这个节点，比如temp
• temp.pre.next = temp.next
• temp.next.pre = temp.pre

代码实现

package cn.imut;

public class DoubleLinkList {
    //初始化头节点，头节点不动，不存放具体的数据
    private HeroNode2 head = new HeroNode2(0,"","");

    //返回头节点
    public HeroNode2 getHead() {
        return head;
    }

    //遍历双向链表
    //head节点不能动，所以需要辅助变量
    public void list() {
        //判断链表是否为空
        if(head.next == null) {
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        HeroNode2 temp = head.next;
        while (temp != null) {
            //判断是否到最后
            //输出节点的信息
            System.out.println(temp);
            //将next后移
            temp = temp.next;
        }
    }

    //添加到一个节点到双向链表的最后
    public void add(HeroNode2 heroNode){
        //头节点（head）不能动，所以需要辅助节点 temp
        HeroNode2 temp = head;
        //遍历链表，找到最后的节点
        while(true) {
            //找到链表的最后
            if(temp.next == null){
                break;
            }
            //如果没有找到，后移查找
            temp = temp.next;
        }
        //当退出循环时，temp就指向了链表的最后
        //形成双向链表
        temp.next = heroNode;
        heroNode.pre = temp;
    }

    //修改节点的信息（根据no编号），与单向链表一样，只是节点类型变了
    public void update(HeroNode2 newHeroNode) {
        //判断是否为空
        if(head.next == null) {
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        //找到需要修改的节点
        HeroNode2 temp = head.next;
        boolean flag = false;
        while (true) {
            if(temp == null) {
                break;      //到链表的最后
            }
            if(temp.no == newHeroNode.no) {
                //找到
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        //根据flag判断是否找到要修改的节点
        if(flag) {
            temp.name = newHeroNode.name;
            temp.nickname = newHeroNode.nickname;
        }else {
            System.out.printf("没有找到 编号 = %d的节点
", newHeroNode.no);
        }
    }

    //删除节点，对于双向链表，直接就可以找到节点，自我删除
    public void del(int no){
        if(head.next == null) {     //空链表
            System.out.println("当前链表为空");
            return;
        }

        HeroNode2 temp = head.next;      //辅助变量（指针）
        boolean flag = false;

        while (true) {
            if(temp == null) {      //已经到链表的最后
                break;
            }
            if(temp.no == no) {     //找到
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;       //后移，遍历
        }

        //判断flag
        if(flag) {  //找到
            //可以删除
            temp.pre.next = temp.next;
            //如果最后一个节点，就不需要执行，否则空指针异常
            if(temp.next != null) {
                temp.next.pre = temp.pre;
            }
        }else {
            System.out.printf("要删除的 %d节点不存在
", no);
        }
    }
}

测试

package cn.imut;

public class DoubleLinkListTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双向链表的测试");

        HeroNode2 node1 = new HeroNode2(1, "jishuo", "sb");
        HeroNode2 node2 = new HeroNode2(2, "zhanglei", "nb");
        HeroNode2 node3 = new HeroNode2(3, "yuanguowei", "qb");
        HeroNode2 node4 = new HeroNode2(4, "suzhihui", "bb");
        HeroNode2 node5 = new HeroNode2(5, "wangyanming", "mb");
        HeroNode2 node6 = new HeroNode2(6, "wangbin", "zb");

        //创建双向链表
        DoubleLinkList doubleLinkList = new DoubleLinkList();
        doubleLinkList.add(node1);
        doubleLinkList.add(node2);
        doubleLinkList.add(node3);
        doubleLinkList.add(node4);
        doubleLinkList.add(node5);
        doubleLinkList.add(node6);

        doubleLinkList.list();
        System.out.printf("





");
        //修改测试
        HeroNode2 heroNode2 = new HeroNode2(1, "jishuo", "sbb");
        doubleLinkList.update(heroNode2);
        doubleLinkList.list();
        //删除测试
        doubleLinkList.del(6);
    }
}

单向环形链表应用场景

约瑟夫问题（约瑟夫环）

设编号1，2，...n个人围坐一圈，约定编号为k[1,n]的人从1开始报数，数到m的那个人出列，它的下一位又从1开始报数，数到m的那个人出列，依次类推，直到有人出列为止，由此产生一个出队编号的序列。

假设n有5人，k = 1，从第一个人开始报数，m = 2，数2下。

每次从出队后下一个人开始数

故出队顺序为

2 - 4 - 1 - 5 - 3

代码实现

构建环形链表

• 先创建第一个节点，让first指向该节点，并形成环形
• 后面当我们每创建一个新的节点，就该把节点，加入到已有的环形链表中即可

遍历环形链表

• 先让辅助指针curBoy，指向first
• 然后通过while循环遍历环形链表curBoy.next = first结束

出队

• 创建辅助指针，指向first后一个节点（最后的节点）
• 报数包括自身，故first与helper同时移动m-1次（有本身）
• 将first指向的节点出圈（first前移 first = first.next，helper.next = first）
• 没有指向节点的指针被回收

package cn.imut;

public class Boy {
    private int no;
    public Boy next;        //指向下一个节点，默认为null

    public Boy(int no) {
        this.no = no;
    }

    public int getNo() {
        return no;
    }

    public void setNo(int no) {
        this.no = no;
    }

    public Boy getNext() {
        return next;
    }

    public void setNext(Boy next) {
        this.next = next;
    }
}

package cn.imut;

public class CircleSingleLinkedList {
    //创建first节点(没有编号)
    private Boy first = new Boy(-1);

    //添加节点，构建环形链表
    public void addBoy(int nums) {
        //nums做数据校验
        if(nums < 1) {
            System.out.println("num数据不正确");
            return;
        }
        Boy curBoy = null;      //辅助变量
        //for循环创建环形链表
        for(int i = 1; i <= nums; i++) {
            //根据编号创建节点
            Boy boy = new Boy(i);
            //如果是第一个节点
            if(i == 1) {
                first = boy;
                first.setNext(first);   //构成环
                curBoy = first;         //让curBoy指向第一个节点
            }else {
                //换线
                curBoy.setNext(boy);
                boy.setNext(first);
                curBoy = boy;
            }
        }
    }

    //遍历环形链表
    public void showBoy() {
        //判断链表是否为空
        if(first == null) {
            System.out.println("没有节点");
            return;
        }
        //first不动，需要辅助指针
        Boy curBoy = first;
        while (true) {
            System.out.printf("节点编号：%d
",curBoy.getNo());
            if(curBoy.getNext() == first) {     //遍历完毕
                break;
            }
            curBoy = curBoy.getNext();  //curBoy后移
        }
    }

    //根据用户的输入，计算出出圈的顺序

    /**
     *
     * @param startNo   从第几个节点开始数数
     * @param countNum  数几下
     * @param nums      表示最初有多少节点在圈
     */
    public void countBoy(int startNo, int countNum, int nums) {
        //校验数据
        if(first == null || startNo < 1 || startNo > nums) {
            System.out.println("参数输入有误！请重新输入");
            return;
        }
        //创建要给辅助指针，帮助节点出圈
        Boy helper = first;
        while (true) {
            if(helper.getNext() == first) {     //说明helper指向最后节点
                break;
            }
            helper = helper.getNext();

            //报数前，让first与helper移动k-1次
            for(int j = 0; j < startNo - 1; j++) {
                first = first.getNext();
                helper = helper.getNext();
            }

            //报数时，让first与helper指针同时移动m - 1次，然后出圈
            while (true) {
                if(helper == first) {   //说明圈中只有一个节点
                    break;
                }
                //让first和helper指针同时移动countNum - 1
                for(int j = 0; j < countNum - 1; j++) {
                    first = first.getNext();
                    helper = helper.getNext();
                }

                //这时first指向的节点，就是出圈的节点
                System.out.printf("%d出圈
", first.getNo());

                //这时，将first指向的节点出圈
                first = first.getNext();
                helper.setNext(first);
            }
            System.out.printf("最后留在圈中的节点编号%d
", helper.getNo());
        }
    }
}

测试

package cn.imut;

public class CircleSingleLinkedListTest {
    public static void main(String[] args) {
        CircleSingleLinkedList circleSingleLinkedList = new CircleSingleLinkedList();
        circleSingleLinkedList.addBoy(5);   //加入5个节点

        circleSingleLinkedList.showBoy();   //遍历

        circleSingleLinkedList.countBoy(1,2,5);
    }
}