看得見的資料結構Android版之雙連結串列篇

零、前言

1.上一篇分析了單連結串列，連結串列是一種資料結構，用來承載資料，每個表節點裝載一個資料元素
2.雙連結串列是每個節點除了資料元素外還分別持有前、後兩個節點的引用
3.為了統一節點的操作，一般在真實連結串列的首尾各加一個虛擬節點，稱為頭節點和尾節點
4.如果說單連結串列是一列火車，那雙連結串列就是一輛雙頭加固版火車，java中的LinkedList底層便是此結構
5.本例操作演示原始碼：希望你可以和我在Github一同見證：DS4Android的誕生與成長，歡迎star

1.留圖鎮樓：雙連結串列的最終實現的操作效果:

2.對於雙連結串列簡介：

雙連結串列是對節點(Node)的操作，而節點(Node)又承載資料(T)  
總的來看，雙連結串列通過操作節點(Node)從而運算元據(T)，就像車廂運送獲取，車廂只是載體，貨物是我們最關注  
雙連結串列不同於單連結串列至處在於一個節點同時持有前、後兩個節點的引用，使得對頭尾操作都方便 

Node只不過是一個輔助工具，並不會暴露在外。它與資料相對應，又使資料按鏈式排布，
操縱節點也就等於操縱資料，就像提線木偶，並不是直接操作木偶的各個肢體本身(資料T)。

為了統一節點的操作，通常在連結串列最前面新增一個虛擬頭(headNode)和虛擬尾(tileNode)(封裝在內中，不暴露)
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3.雙連結串列的實現：本文要務

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一、雙連結串列結構的實現：LinkedChart

1.表的介面定義在陣列表篇，這裡就不貼了

這裡給出實現介面後的LinkedChart以及簡單方法的實現

/**
 * 作者：張風捷特烈<br/>
 * 時間：2018/11/22 0022:15:36<br/>
 * 郵箱：1981462002@qq.com<br/>
 * 說明：雙連結串列實現表結構
 */
public class LinkedChart<T> implements IChart<T> {
    private Node headNode;//虛擬尾節點--相當於頭部火車頭
    private Node tailNode;//虛擬尾節點--相當於尾部火車頭
    private int size;//元素個數

    public SingleLinkedChart() {//一開始兩個火車頭彼此相連
        headNode = new Node(null, null, null);//例項化頭結點
        tailNode = new Node(headNode, null, null);//例項化尾節點，並將prev指向頭
        headNode.next = tailNode;//頭指尾
        size = 0;//連結串列長度置零
    }
    
    @Override
    public void add(int index, T el) {
    }

    @Override
    public void add(T el) {
        add(size, el);
    }

    @Override
    public T remove(int index) {
        return null;
    }

    @Override
    public T remove() {
        return remove(size);
    }

    @Override
    public int removeEl(T el) {
        return 0;
    }

    @Override
    public boolean removeEls(T el) {
        return false;
    }

    @Override
    public void clear() {
        headNode = new Node(null, null, null);//例項化頭結點
        tailNode = new Node(headNode, null, null);//例項化尾節點，並將prev指向頭
        headNode.next = tailNode;//頭指尾
        size = 0;//連結串列長度置零
    }

    @Override
    public T set(int index, T el) {
      return null;
    }

    @Override
    public T get(int index) {
         return null;
    }

    @Override
    public int[] getIndex(T el) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean contains(T el) {
        return getIndex(el).length != 0;
    }

    @Override
    public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
        return null;
    }

    @Override
    public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public int capacity() {
        return size;
    }
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2.單鏈節點類(Node)的設計：

LinkedChart相當於一列雙頭火車，暫且按下，先把車廂的關係弄好，最後再拼接列車會非常方便
這裡將Node作為LinkedChart的一個私有內部類，是為了隱藏Node，並能使用LinkedChart的資源
就像心臟在身體內部，外面人看不見，但它卻至關重要，並且還能獲取體內的資訊與資源

一節雙鏈車廂，最少要知道里面的貨物(node.T)是什麼,
它的下一節車廂(node.next)是哪個，以及上一節車廂(node.prev)是哪個

private class Node {
    /**
     * 資料
     */
    private T el;
    
    /**
     * 前節點
     */
    private Node prev;
    
    /**
     * 後節點
     */
    private Node next;
    
    private Node(Node prev, Node next, T el) {
        this.el = el;
        this.prev = prev;
        this.next = next;
    }
}
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二、節點(Node)的底層操作(CRUD)----連結串列的心臟

1.查詢操作：getNode

上一篇的單連結串列查詢：相當於在一個視口一個一個挨著找車廂
雙連結串列有兩個火車頭，這就代表兩頭都能操作，所以為了儘量高效，判斷一下車廂在前半還是後半
這樣比起單連結串列要快上很多(越往後快得越明顯)

 /**
  * 根據索引獲取節點
  *
  * @param index 索引
  * @return 索引處節點
  */
 private Node<T> getNode(int index) {
     Node<T> targetNode;//宣告目標節點
     if (index < 0 || index > size - 1) { //索引越界處理
         throw new IndexOutOfBoundsException();
     }
     //如果索引在前半,前序查詢
     if (index < size / 2) {
         targetNode = headNode.next;
         for (int i = 0; i < index; i++) {
             targetNode = targetNode.next;
         }
     } else {  //如果索引在後半,反序查詢
         targetNode = tailNode.prev;
         for (int i = size - 1; i < index; i++) {
             targetNode = targetNode.prev;
         }
     }
     return targetNode;
 }
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2.插入操作：addNode()

還是想下火車頭：想在T0和T1車廂之間插入一節T3車廂怎麼辦?
第一步：將T0的後鏈栓到T3上，T3的前鏈栓到T0上-----完成了T0和T3的連線
第二步：將T3的後鏈栓到T2上，T1的前鏈栓到T3上-----完成了T1和T3的連線

/**
 * 根據目標節點插入新節點--目標節點之前
 *
 * @param target 目標節點
 * @param el     新節點資料
 */
private void addNode(Node target, T el) {
    //想在T0和T1車廂之間插入一節T3車廂為例：
    //新建T3,將前、後指向分別指向T0和T1
    Node newNode = new Node(target.prev, target, el);
    //T0的next指向T3
    target.prev.next = newNode;
    //T1的prev指向T3
    target.prev = newNode;
    //大功告成：連結串列長度+1
    size++;
}
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3.移除操作：removeNode()

還是想下火車頭：如何刪除T1:
很簡單：T0和T2手拉手就行了，然後再讓T1孤獨的離去...

/**
 * 移除目標節點
 *
 * @param target 目標節點
 * @return 目標節點資料
 */
private T removeNode(Node target) {
    //目標前節點的next指向目標節點後節點
    target.prev.next = target.next;
    //目標後節點的prev指向目標節點前節點
    target.next.prev = target.prev;
    target.prev = null;//放開左手
    target.next = null;//放開右手---揮淚而去
    //連結串列長度-1
    size--;
    return target.el;
}
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3.修改節點：setNode

/**
 * 修改節點
 *
 * @param index 節點位置
 * @param el    資料
 * @return 修改後的節點
 */
private T setNode(int index, T el) {
    Node node = getNode(index);
    T tempNode = node.el;
    node.el = el;
    return tempNode;
}
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4.清空操作：clearNode()

思路和刪除一樣：首尾虛擬節點互指，中間沒有元素,形式上看，當前連結串列上全部刪除
重新例項化頭結點------火車頭說：老子從頭(null)開始，不帶你們玩了，
重新例項化尾節點------火車尾說：老孃從頭(null)開始，不帶你們玩了，
於是火車頭和火車尾，手牽手，走向遠方...

/**
 * 清空所有節點
 */
private void clearNode() {
    //例項化頭結點
    headNode = new Node<T>(null, null, null);
    //例項化尾節點，並將prev指向頭
    tailNode = new Node<T>(headNode, null, null);
    headNode.next = tailNode;
    //連結串列長度置零
    size = 0;
}
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二、利用連結串列實現對資料的操作

連結串列只是對節點的操作，只是一種結構，並非真正目的，最終要讓連結串列對外不可見,就像人的骨骼之於軀體
軀體的任何動作是骨骼以支撐,而骨骼並不可見，從外來看只是軀體的動作而已。
我們需要的是按照這種結構對資料進行增刪改查等操作，並暴露介面由外方呼叫

1、定點新增操作--add

@Override
public void add(int index, T el) {
    // index可以取到size，在連結串列末尾空位置新增元素。
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index");
    }
    addNode(getNode(index), el);
}
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2.定點移除操作--remove

@Override
public T remove(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index");
    }
    return removeNode(getNode(index));
}
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3.獲取和修改--get和set

@Override
public T get(int index) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index");
    }
    return getNode(index).el;
}

@Override
public T set(int index, T el) {
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("ISet failed. Illegal index");
    }
    return setNode(index, el);
}
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四、其他操作

和單連結串列基本一致，就不演示了。

1.是否包含某元素：

@Override
public boolean contains(T el) {
    Node target = headNode;
    while (target.next != null) {
        if (el.equals(target.next)) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}
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2.根據指定元素獲取匹配索引

@Override
public int[] getIndex(T el) {
    int[] tempArray = new int[size];//臨時陣列
    int index = 0;//重複個數
    int count = 0;
    Node node = headNode.next;
    while (node.next != null) {
        if (el.equals(node.el)) {
            tempArray[index] = -1;
            count++;
        }
        index++;
        node = node.next;
    }
    int[] indexArray = new int[count];//將臨時陣列壓縮
    int indexCount = 0;
    for (int i = 0; i < tempArray.length; i++) {
        if (tempArray[i] == -1) {
            indexArray[indexCount] = i;
            indexCount++;
        }
    }
    return indexArray;
}
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3.按元素移除：(找到，再刪除...)

@Override
public int removeEl(T el) {
    int[] indexes = getIndex(el);
    int index = -1;
    if (indexes.length > 0) {
        index = indexes[0];
        remove(indexes[0]);
    }
    return index;
}

@Override
public boolean removeEls(T el) {
    int[] indexArray = getIndex(el);
    if (indexArray.length != 0) {
        for (int i = 0; i < indexArray.length; i++) {
            remove(indexArray[i] - i); // 注意-i
        }
        return true;
    }
    return false;
}
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4.定點連線兩個單連結串列

///////////////只是實現一下，getHeadNode和getLastNode破壞了Node的封裝性，不太好/////////////
@Override
public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
    return contact(0, iChart);
}

@Override
public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
    if (!(iChart instanceof LinkedChart)) {
        return null;
    }
    if (index < 0 || index > size) {
        throw new IllegalArgumentException("Contact failed. Illegal index");
    }
    LinkedChart linked = (LinkedChart) iChart;
    Node targetNode = getNode(index);
    Node targetNextNode = targetNode.next;
    //目標節點的next指向待接連結串列的第一個節點
    targetNode.next = linked.getHeadNode().next;
    //向待接連結串列的第一個節點的prev指向目標節點
    linked.getHeadNode().next.prev = targetNode;
    //目標節點的下一節點指的prev向待接連結串列的最後一個節點
    targetNextNode.prev = linked.getLastNode().prev;
    //向待接連結串列的最後一個節點的next指向目標節點的下一節點的
    linked.getLastNode().prev.next = targetNextNode;
    return this;
}
public Node getHeadNode() {
    return headNode;
}
public Node getLastNode() {
    return tailNode;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////
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五、小結：

1.優劣分析

優點：  動態建立，節省空間  
        頭部、尾部新增容易  
        定點插入/刪除總體上優於陣列表(因為最多找一半，陣列表最多全部)
缺點：  空間上不連續，造成空間碎片化
        查詢相對困難，只能從頭開始或結尾一個一個找(但比單連結串列優秀)
使用場景：[雙連結串列]增刪效能總體優於[陣列表]和[單連結串列]，頻繁增刪不定位置時[雙連結串列]最佳
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2.最後把檢視一起說了吧

介面都是相同的，底層實現更換了，並不會影響檢視層，只是把檢視層的單體繪製更改一下就行了。
詳細的繪製方案見這裡

/**
 * 繪製表結構
 *
 * @param canvas
 */
private void dataView(Canvas canvas) {
    mPaint.setColor(Color.BLUE);
    mPaint.setStyle(Paint.Style.FILL);
    mPath.reset();
    for (int i = 0; i < mArrayBoxes.size(); i++) {
        LinkedNode box = mArrayBoxes.get(i);
        mPaint.setColor(box.color);
        canvas.drawRoundRect(
                box.x, box.y, box.x + Cons.BOX_WIDTH, box.y + Cons.BOX_HEIGHT,
                BOX_RADIUS, BOX_RADIUS, mPaint);
        mPath.moveTo(box.x, box.y);
        mPath.rCubicTo(Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2,
                Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2, Cons.BOX_WIDTH, 0);
        if (i < mArrayBoxes.size() - 1 ) {
            LinkedNode box_next = mArrayBoxes.get(i + 1);
            LinkedNode box_now = mArrayBoxes.get(i);
            if (i % LINE_ITEM_NUM == LINE_ITEM_NUM - 1) {//邊界情況
                mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT);
                mPath.lineTo(box_next.x + Cons.BOX_WIDTH, box_next.y);
                mPath.rLineTo(Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
                mPath.moveTo(box_next.x, box_next.y);
                mPath.lineTo(box_now.x, box_now.y+Cons.BOX_HEIGHT);
                mPath.rLineTo(-Cons.ARROW_DX, Cons.ARROW_DX);
            } else {
                mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT / 2.2f);
                mPath.lineTo(box_next.x+Cons.BOX_WIDTH * 0.2f, box_next.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2f);
                mPath.rLineTo(-Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
                mPath.moveTo(box_next.x, box_next.y);
                mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT / 1.2f);
                mPath.lineTo(box_now.x + Cons.BOX_WIDTH * 0.8f, box_now.y + Cons.BOX_HEIGHT * 0.8f);
                mPath.rLineTo(Cons.ARROW_DX, Cons.ARROW_DX);
            }
        }
        canvas.drawPath(mPath, mPathPaint);
        canvas.drawText(box.index + "",
                box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
                box.y + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
        canvas.drawText(box.data + "",
                box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
                box.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2 + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
    }
}
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本系列後續更新連結合集：(動態更新)

• 看得見的資料結構Android版之開篇前言
• 看得見的資料結構Android版之陣列表(資料結構篇)
• 看得見的資料結構Android版之陣列表(檢視篇)
• 看得見的資料結構Android版之單連結串列篇
• 看得見的資料結構Android版之雙連結串列篇
• 看得見的資料結構Android版之棧篇
• 看得見的資料結構Android版之佇列篇
• 看得見的資料結構Android版之二分搜尋樹篇
• 更多資料結構---以後再說吧

後記：捷文規範

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2.本文成長記錄及勘誤表

專案原始碼	日期	備註
V0.1--github	2018-11-23	看得見的資料結構Android版之雙連結串列的實現

3.更多關於我

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4.宣告

1----本文由張風捷特烈原創,轉載請註明
2----歡迎廣大程式設計愛好者共同交流
3----個人能力有限，如有不正之處歡迎大家批評指證，必定虛心改正
4----看到這裡，我在此感謝你的喜歡與支援

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