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Java模拟单链表和双端链表数据结构的实例讲解

高洛峰

Jan 24, 2017 pm 04:05 PM

模拟单链表

线性表：
线性表（亦作顺序表）是最基本、最简单、也是最常用的一种数据结构。
线性表中数据元素之间的关系是一对一的关系，即除了第一个和最后一个数据元素之外，其它数据元素都是首尾相接的。
线性表的逻辑结构简单，便于实现和操作。
在实际应用中，线性表都是以栈、队列、字符串等特殊线性表的形式来使用的。
线性结构的基本特征为:
1．集合中必存在唯一的一个“第一元素”；
2．集合中必存在唯一的一个 “最后元素” ；
3．除最后一个元素之外，均有唯一的后继(后件)；
4．除第一个元素之外，均有唯一的前驱(前件)。

链表：linked list
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
每个数据项都被包含在“链结点”（Link）中。
链结点是一个类的对象，这类可叫做Link。链表中有许多类似的链结点，每个Link中都中包含有一个对下一个链结点引用的字段next。
链表对象本身保存了一个指向第一个链结点的引用first。(若没有first，则无法定位)
链表不能像数组那样(利用下标)直接访问到数据项，而需要用数据间的关系来定位，即访问链结点所引用的下一个链结点，而后再下一个，直至访问到需要的数据
在链头插入和删除的时间复杂度为O(1)，因为只需要改变引用的指向即可
而查找、删除指定结点、在指定结点后插入，这些操作都需要平均都需要搜索链表中的一半结点，效率为O(N)。
单链表：
以“结点的序列”表示线性表称作线性链表（单链表）
是一种链式存取的数据结构，用一组地址任意的存储单元存放线性表中的数据元素。(这组存储单元既可以是连续的，也可以是不连续的)
链结点的结构：

存放结点值的数据域data;存放结点的引用的指针域（链域）next
链表通过每个结点的链域将线性表的n个结点按其逻辑顺序链接在一起的。
每个结点只有一个链域的链表称为单链表（Single Linked List），一个方向, 只有后继结节的引用

/** 
 * 单链表:头插法 后进先出 
 * 将链表的左边称为链头，右边称为链尾。 
 * 头插法建单链表是将链表右端看成固定的，链表不断向左延伸而得到的。 
 * 头插法最先得到的是尾结点 
 * @author stone 
 */
public class SingleLinkedList<T> { 
    
  private Link<T> first;    //首结点 
  public SingleLinkedList() { 
      
  } 
    
  public boolean isEmpty() { 
    return first == null; 
  } 
    
  public void insertFirst(T data) {// 插入 到 链头 
    Link<T> newLink = new Link<T>(data); 
    newLink.next = first; //新结点的next指向上一结点 
    first = newLink; 
  } 
    
  public Link<T> deleteFirst() {//删除 链头 
    Link<T> temp = first; 
    first = first.next; //变更首结点，为下一结点 
    return temp; 
  } 
    
  public Link<T> find(T t) { 
    Link<T> find = first; 
    while (find != null) { 
      if (!find.data.equals(t)) { 
        find = find.next; 
      } else { 
        break; 
      } 
    } 
    return find; 
  } 
    
  public Link<T> delete(T t) { 
    if (isEmpty()) { 
      return null; 
    } else { 
      if (first.data.equals(t)) { 
        Link<T> temp = first; 
        first = first.next; //变更首结点，为下一结点 
        return temp; 
      } 
    } 
    Link<T> p = first; 
    Link<T> q = first; 
    while (!p.data.equals(t)) { 
      if (p.next == null) {//表示到链尾还没找到 
        return null; 
      } else { 
        q = p; 
        p = p.next; 
      } 
    } 
      
    q.next = p.next; 
    return p; 
  } 
    
  public void displayList() {//遍历 
    System.out.println("List (first-->last):"); 
    Link<T> current = first; 
    while (current != null) { 
      current.displayLink(); 
      current = current.next; 
    } 
  } 
    
  public void displayListReverse() {//反序遍历 
    Link<T> p = first, q = first.next, t; 
    while (q != null) {//指针反向，遍历的数据顺序向后 
      t = q.next; //no3 
      if (p == first) {// 当为原来的头时，头的.next应该置空 
        p.next = null; 
      } 
      q.next = p;// no3 -> no1 pointer reverse 
      p = q; //start is reverse 
      q = t; //no3 start 
    } 
    //上面循环中的if里，把first.next 置空了, 而当q为null不执行循环时，p就为原来的最且一个数据项，反转后把p赋给first 
    first = p;  
    displayList(); 
  } 
    
  class Link<T> {//链结点 
    T data;   //数据域 
    Link<T> next; //后继指针，结点    链域 
    Link(T data) { 
      this.data = data; 
    } 
    void displayLink() { 
      System.out.println("the data is " + data.toString()); 
    } 
  } 
    
  public static void main(String[] args) { 
    SingleLinkedList<Integer> list = new SingleLinkedList<Integer>(); 
    list.insertFirst(33); 
    list.insertFirst(78); 
    list.insertFirst(24); 
    list.insertFirst(22); 
    list.insertFirst(56); 
    list.displayList(); 
      
    list.deleteFirst(); 
    list.displayList(); 
      
    System.out.println("find:" + list.find(56)); 
    System.out.println("find:" + list.find(33)); 
      
    System.out.println("delete find:" + list.delete(99)); 
    System.out.println("delete find:" + list.delete(24)); 
    list.displayList(); 
    System.out.println("----reverse----"); 
    list.displayListReverse(); 
  } 
}

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List (first-->last):
the data is 56
the data is 22
the data is 24
the data is 78
the data is 33
List (first-->last):
the data is 22
the data is 24
the data is 78
the data is 33
find:null
find:linked_list.SingleLinkedList$Link@4b71bbc9
delete find:null
delete find:linked_list.SingleLinkedList$Link@17dfafd1
List (first-->last):
the data is 22
the data is 78
the data is 33
----reverse----
List (first-->last):
the data is 33
the data is 78
the data is 22

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单链表:尾插法、后进先出 ——若将链表的左端固定，链表不断向右延伸，这种建立链表的方法称为尾插法。
尾插法建立链表时，头指针固定不动，故必须设立一个尾部的指针，向链表右边延伸，
尾插法最先得到的是头结点。

public class SingleLinkedList2<T> {
    
  private Link<T> head;   //首结点
  public SingleLinkedList2() {
      
  }
    
  public boolean isEmpty() {
    return head == null;
  }
    
  public void insertLast(T data) {//在链尾 插入
    Link<T> newLink = new Link<T>(data);
    if (head != null) {
      Link<T> nextP = head.next;
      if (nextP == null) {
        head.next = newLink;
      } else {
        Link<T> rear = null;
        while (nextP != null) {
          rear = nextP;
          nextP = nextP.next;
        }
        rear.next = newLink;
      }
    } else {
      head = newLink;
    }
  }
    
  public Link<T> deleteLast() {//删除 链尾
    Link<T> p = head;
    Link<T> q = head;
    while (p.next != null) {// p的下一个结点不为空，q等于当前的p(即q是上一个，p是下一个) 循环结束时，q等于链尾倒数第二个
      q = p;
      p = p.next;
    }
    //delete
    q.next = null;
    return p;
  }
    
  public Link<T> find(T t) {
    Link<T> find = head;
    while (find != null) {
      if (!find.data.equals(t)) {
        find = find.next;
      } else {
        break;
      }
    }
    return find;
  }
    
  public Link<T> delete(T t) {
    if (isEmpty()) {
      return null;
    } else {
      if (head.data.equals(t)) {
        Link<T> temp = head;
        head = head.next; //变更首结点，为下一结点
        return temp;
      }
    }
    Link<T> p = head;
    Link<T> q = head;
    while (!p.data.equals(t)) {
      if (p.next == null) {//表示到链尾还没找到
        return null;
      } else {
        q = p;
        p = p.next;
      }
    }
      
    q.next = p.next;
    return p;
  }
    
  public void displayList() {//遍历
    System.out.println("List (head-->last):");
    Link<T> current = head;
    while (current != null) {
      current.displayLink();
      current = current.next;
    }
  }
    
  public void displayListReverse() {//反序遍历
    Link<T> p = head, q = head.next, t;
    while (q != null) {//指针反向，遍历的数据顺序向后
      t = q.next; //no3
      if (p == head) {// 当为原来的头时，头的.next应该置空
        p.next = null;
      }
      q.next = p;// no3 -> no1 pointer reverse
      p = q; //start is reverse
      q = t; //no3 start
    }
    //上面循环中的if里，把head.next 置空了, 而当q为null不执行循环时，p就为原来的最且一个数据项，反转后把p赋给head
    head = p; 
    displayList();
  }
    
  class Link<T> {//链结点
    T data;   //数据域
    Link<T> next; //后继指针，结点    链域
    Link(T data) {
      this.data = data;
    }
    void displayLink() {
      System.out.println("the data is " + data.toString());
    }
  }
    
  public static void main(String[] args) {
    SingleLinkedList2<Integer> list = new SingleLinkedList2<Integer>();
    list.insertLast(33);
    list.insertLast(78);
    list.insertLast(24);
    list.insertLast(22);
    list.insertLast(56);
    list.displayList();
      
    list.deleteLast();
    list.displayList();
      
    System.out.println("find:" + list.find(56));
    System.out.println("find:" + list.find(33));
      
    System.out.println("delete find:" + list.delete(99));
    System.out.println("delete find:" + list.delete(78));
    list.displayList();
    System.out.println("----reverse----");
    list.displayListReverse();
  }
}

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List (head-->last):
the data is 33
the data is 78
the data is 24
the data is 22
the data is 56
List (head-->last):
the data is 33
the data is 78
the data is 24
the data is 22
find:null
find:linked_list.SingleLinkedList2$Link@4b71bbc9
delete find:null
delete find:linked_list.SingleLinkedList2$Link@17dfafd1
List (head-->last):
the data is 33
the data is 24
the data is 22
----reverse----
List (head-->last):
the data is 22
the data is 24
the data is 33

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模拟双端链表，以链表实现栈和队列
双端链表：
双端链表与传统链表非常相似.只是新增了一个属性-即对最后一个链结点的引用rear
这样在链尾插入会变得非常容易，只需改变rear的next为新增的结点即可，而不需要循环搜索到最后一个节点
所以有insertFirst、insertLast
删除链头时，只需要改变引用指向即可；删除链尾时，需要将倒数第二个结点的next置空，
而没有一个引用是指向它的，所以还是需要循环来读取操作

/**
 * 双端链表
 * @author stone
 */
public class TwoEndpointList<T> {
  private Link<T> head;   //首结点
  private Link<T> rear;   //尾部指针
    
  public TwoEndpointList() {
      
  }
    
  public T peekHead() {
    if (head != null) {
      return head.data;
    }
    return null;
  }
    
  public boolean isEmpty() {
    return head == null;
  }
    
  public void insertFirst(T data) {// 插入 到 链头
    Link<T> newLink = new Link<T>(data);
    newLink.next = head; //新结点的next指向上一结点
    head = newLink;
  }
    
  public void insertLast(T data) {//在链尾 插入
    Link<T> newLink = new Link<T>(data);
    if (head == null) {
      rear = null;
    }
    if (rear != null) {
      rear.next = newLink;
    } else {
      head = newLink;
      head.next = rear;
    }
    rear = newLink; //下次插入时，从rear处插入
      
  }
    
  public T deleteHead() {//删除 链头
    if (isEmpty()) return null;
    Link<T> temp = head;
    head = head.next; //变更首结点，为下一结点
    if (head == null) {
    <span style="white-space:pre">  </span>rear = head;
    }
    return temp.data;
  }
    
  public T find(T t) {
    if (isEmpty()) {
      return null;
    }
    Link<T> find = head;
    while (find != null) {
      if (!find.data.equals(t)) {
        find = find.next;
      } else {
        break;
      }
    }
    if (find == null) {
      return null;
    }
    return find.data;
  }
    
  public T delete(T t) {
    if (isEmpty()) {
      return null;
    } else {
      if (head.data.equals(t)) {
        Link<T> temp = head;
        head = head.next; //变更首结点，为下一结点
        return temp.data;
      }
    }
    Link<T> p = head;
    Link<T> q = head;
    while (!p.data.equals(t)) {
      if (p.next == null) {//表示到链尾还没找到
        return null;
      } else {
        q = p;
        p = p.next;
      }
    }
    q.next = p.next;
    return p.data;
  }
    
  public void displayList() {//遍历
    System.out.println("List (head-->last):");
    Link<T> current = head;
    while (current != null) {
      current.displayLink();
      current = current.next;
    }
  }
    
  public void displayListReverse() {//反序遍历
    if (isEmpty()) {
      return;
    }
    Link<T> p = head, q = head.next, t;
    while (q != null) {//指针反向，遍历的数据顺序向后
      t = q.next; //no3
      if (p == head) {// 当为原来的头时，头的.next应该置空
        p.next = null;
      }
      q.next = p;// no3 -> no1 pointer reverse
      p = q; //start is reverse
      q = t; //no3 start
    }
    //上面循环中的if里，把head.next 置空了, 而当q为null不执行循环时，p就为原来的最且一个数据项，反转后把p赋给head
    head = p; 
    displayList();
  }
    
  class Link<T> {//链结点
    T data;   //数据域
    Link<T> next; //后继指针，结点    链域
    Link(T data) {
      this.data = data;
    }
    void displayLink() {
      System.out.println("the data is " + data.toString());
    }
  }
    
  public static void main(String[] args) {
    TwoEndpointList<Integer> list = new TwoEndpointList<Integer>();
    list.insertLast(1);
    list.insertFirst(2);
    list.insertLast(3);
    list.insertFirst(4);
    list.insertLast(5);
    list.displayList();
      
    list.deleteHead();
    list.displayList();
      
    System.out.println("find:" + list.find(6));
    System.out.println("find:" + list.find(3));
  
    System.out.println("delete find:" + list.delete(6));
    System.out.println("delete find:" + list.delete(5));
    list.displayList();
    System.out.println("----reverse----");
    list.displayListReverse();
  }
}

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List (head-->last):
the data is 4
the data is 2
the data is 1
the data is 3
the data is 5
List (head-->last):
the data is 2
the data is 1
the data is 3
the data is 5
find:null
find:3
delete find:null
delete find:5
List (head-->last):
the data is 2
the data is 1
the data is 3
----reverse----
List (head-->last):
the data is 3
the data is 1
the data is 2

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使用链表实现栈，用前插单链表就能实现，
本类采用双端链表实现：

public class LinkStack<T> {
  private TwoEndpointList<T> datas;
    
  public LinkStack() {
    datas = new TwoEndpointList<T>();
  }
    
  // 入栈
  public void push(T data) {
    datas.insertFirst(data);
  }
    
  // 出栈
  public T pop() {
    return datas.deleteHead();
  }
    
  // 查看栈顶
  public T peek() {
    return datas.peekHead();
  }
    
  //栈是否为空
  public boolean isEmpty() {
    return datas.isEmpty();
  }
    
  public static void main(String[] args) {
    LinkStack<Integer> stack = new LinkStack<Integer>();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      stack.push(i);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Integer peek = stack.peek();
      System.out.println("peek:" + peek);
    }
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
      Integer pop = stack.pop();
      System.out.println("pop:" + pop);
    }
      
    System.out.println("----");
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      stack.push(i);
    }
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      Integer peek = stack.peek();
      System.out.println("peek:" + peek);
    }
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      Integer pop = stack.pop();
      System.out.println("pop:" + pop);
    }
  }
}

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peek:4
peek:4
peek:4
peek:4
peek:4
pop:4
pop:3
pop:2
pop:1
pop:0
pop:null
----
peek:1
peek:1
peek:1
peek:1
peek:1
pop:1
pop:2
pop:3
pop:4
pop:5

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链表实现队列用双端链表实现：

public class LinkQueue<T> {
  private TwoEndpointList<T> list;
    
  public LinkQueue() {
    list = new TwoEndpointList<T>();
  }
  //插入队尾
  public void insert(T data) {
    list.insertLast(data);
  }
  //移除队头
  public T remove() {
    return list.deleteHead();
  }
  //查看队头
  public T peek() {
    return list.peekHead();
  }
    
  public boolean isEmpty() {
    return list.isEmpty();
  }
    
  public static void main(String[] args) {
    LinkQueue<Integer> queue = new LinkQueue<Integer>();
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
      queue.insert(i);
    }
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
      Integer peek = queue.peek();
      System.out.println("peek:" + peek);
    }
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
      Integer remove = queue.remove();
      System.out.println("remove:" + remove);
    }
      
    System.out.println("----");
      
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      queue.insert(i);
    }
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      Integer peek = queue.peek();
      System.out.println("peek2:" + peek);
    }
    for (int i = 5; i > 0; i--) {
      Integer remove = queue.remove();
      System.out.println("remove:" + remove);
    }
  }
}

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peek:1
peek:1
peek:1
peek:1
remove:1
remove:2
remove:3
remove:4
----
peek2:5
peek2:5
peek2:5
peek2:5
peek2:5
remove:5
remove:4
remove:3
remove:2
remove:1

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