結構與演算法(03)：單向連結串列和雙向連結串列

知了一笑發表於2020-09-18
演算法

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一、連結串列簡介

1、連結串列概念

連結串列是一種物理儲存單元上非連續、非順序的儲存結構，資料元素的邏輯順序是通過連結串列中的指標連結次序實現的。連結串列由一系列節點組成，節點可以在執行時動態生成，節點包括兩個部分：一個是儲存資料元素的資料域，另一個是儲存下一個結點地址的指標域。

2、基礎特點

記憶體儲存

邏輯結構

特點描述

  • 物理儲存上是無序且不連續的；
  • 連結串列是由多個節點以鏈式結構組成；
  • 邏輯層面上看形成一個有序的鏈路結構；

連結串列結構解決陣列儲存需要預先知道元素個數的缺陷，可以充分利用記憶體空間，實現靈活的記憶體動態管理。

二、單向連結串列

1、基礎描述

單向連結串列是連結串列的一種，其特點是連結串列的連結方向是單向的，連結串列的遍歷要從頭部開始順序讀取；結點構成，head指標指向第一個成為表頭結點，終止於最後一個指向NULL的指標。

2、基礎操作

新增資料

  • 初始化head節點，作為連結串列的頭；
  • 修改當前末尾節點的next指標；
  • 新新增的節點房子在連結串列末尾；

刪除資料

遍歷找到要刪除的節點，把刪除節點前個節點的指標指向該刪除節點的下個節點；

三、雙向連結串列

1、概念描述

雙向連結串列也叫雙連結串列，是連結串列的一種，連結串列的每個資料結點中都有兩個指標，分別指向直接後繼和直接前驅，從雙向連結串列中的任意一個結點開始，都可以很快速地訪問它的前驅結點和後繼結點，連結串列結構的使用多數都是構造雙向迴圈連結串列。

2、基礎操作

新增資料

  • 遍歷找到連結串列的最後一個節點；
  • 修改當前末尾節點的next指標；
  • 新新增的節點房子在連結串列末尾；
  • 新增最新尾節點的prev指標；

刪除資料

  • 雙向連結串列，基於要刪除節點操作即可；
  • 操作上圖中要刪除的Node2節點；
  • Node2.prev.next = Node2.next;
  • Node2.next.prev = Node2.prev;

通過上述流程的操作，就把連結串列中一個節點刪除，剩下節點再度連線成鏈式結構。

3、原始碼分析

在Java的API中，LinkedList是典型的雙向連結串列結構，下面基於LinkedList原始碼看雙向連結串列的操作。

基礎案例

public class M01_Linked {
    public static void main(String[] args) {
        List<User> userList = new LinkedList<>() ;
        User removeUser = new User(200,"Second") ;
        // 新增元素
        userList.add(new User(100,"First")) ;
        userList.add(removeUser) ;
        userList.add(new User(300,"Third")) ;
        System.out.println("初始化："+userList);
        // 修改元素
        userList.get(0).setUserName("Zero");
        System.out.println("修改後："+userList);
        // 刪除元素
        userList.remove(removeUser) ;
        System.out.println("刪除後："+userList);
    }
}
class User {
    private Integer userId ;
    private String userName ;
    public User(Integer userId, String userName) {
        this.userId = userId;
        this.userName = userName;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "userId=" + userId +
                ", userName='" + userName + '\'' +
                '}';
    }
    // 省略Get和Set方法
}

節點描述

節點三個核心描述：資料，next指標，prev指標。

private static class Node<E> {
    E item;         // 資料
    Node<E> next;   // 下個指標
    Node<E> prev;   // 上個指標
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

首位節點處理

基於LinkedList原始碼，首尾節點方式，針對上圖雙連結串列的首位指標特點，這裡原始碼很好理解。

public class LinkedList {
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
    // 處理首節點
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
    }
    // 處理尾節點
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
    }
}

新增節點

新增節點的方法直接呼叫linkLast方法，把新節點放到連結串列的尾部即可。

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

刪除節點

第一步：遍歷對比，找到要刪除的節點；

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

第二步：移除節點，重新搭建連結串列結構，並且把當前連結串列的資料置為null，並返回被移除的節點；

E unlink(Node<E> x) {
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }
    x.item = null;
    return element;
}

如上就是對Java中LinkedList雙連結串列原始碼的部分結構分析，這種程式碼看多了，總感覺自己寫的程式碼不是Java。

四、環形連結串列

在單連結串列中，將終端結點的指標域NULL改為指向表頭結點或開始結點，這樣就形成了環形連結串列：

環形連結串列連結串列的一種結構，特點是表中最後一個結點的指標域指向頭結點，整個連結串列形成一個環。

五、原始碼地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent

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