【数据结构与算法】5.详解双向链表的基本操作（Java语言实现）

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文章目录

  • 0. 前言
  • 1. 双链表的定义
  • 2. LinkedList 模拟实现
    • 2.1 接口
    • 2.2 定义双向链表类
    • 2.3 定义两个指针，分别指向头节点和尾节点
    • 2.4 头插法
    • 2.5 尾插法
    • 2.6 指定位置插入元素
    • 2.7 查找指定元素
    • 2.8 删除指定元素
    • 2.9 删除链表中所有指定元素
    • 2.10 统计链表元素个数
    • 2.11 清空链表
    • 2.12 打印链表
    • 2.13 测试
  • 3.代码
  • 4. ArrayList和LinkedList的区别

0. 前言

上一篇【数据结构与算法】4.自主实现单链表的增删查改 我们自主实现了单链表的操作，在Java的集合类中LinkedList底层实现是无头双向循环链表。所以今天我们模拟LinkedList的实现。

1. 双链表的定义

学习双链表之前，做个回顾。

单链表的特点：

  1. 我们可以轻松的到达下一个节点，但是回到前一节点是很难的。
  2. 只能从头遍历到尾或者从尾遍历到头（一般是从头到尾）

双链表的特点：

  1. 每次在插入或删除某个节点时, 需要处理四个节点的引用, 而不是两个. 实现起来要困难一些
  2. 相对于单向链表, 必然占用内存空间更大一些.
  3. 既可以从头遍历到尾, 又可以从尾遍历到头

双链表的定义：

双向链表也叫双链表，是链表的一种，它的每个数据结点中都有两个指针，分别指向直接后继和直接前驱。所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。

image-20240125171130806

指针域（prev）：用于指向当前节点的直接前驱节点；

数据域（data）：用于存储数据元素；

指针域（next）：用于指向当前节点的直接后继节点。

2. LinkedList 模拟实现

2.1 接口

public interface IList {//头插法public void addFirst(int data);//尾插法public void addLast(int data);//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标public void addIndex(int index,int data);//查找是否包含关键字key是否在单链表当中public boolean contains(int key);//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key);//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key);//得到单链表的长度public int size();// 清空链表public void clear();// 打印链表public void display();
}

2.2 定义双向链表类

static class ListNode {public int val; // 数值域 - 存放当前节点的值public ListNode next; // next域 指向下一个节点public ListNode prev; // prev域 指向上一个节点public ListNode(int val) {this.val = val;}
}

2.3 定义两个指针，分别指向头节点和尾节点

// 链表的属性 链表的头节点
public ListNode head; 
// 链表的属性 链表的尾节点
public ListNode last;

2.4 头插法

  1. 判断链表是否为空，如果为空，将新节点的node设置为头节点，将新节点的node设置为尾节点

    head = node;
last = node;

  2. 如果链表不为空，将新节点的node的next域设置为头节点，将当前头节点的prev设置为新节点的node，更新头节点为新节点的node

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

动画演示：

1706271497900

代码：

/**
* 头插法
* @param data
*/
@Override
public void addFirst(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;}else {node.next = head;head.prev = node;head = node;}
}

2.5 尾插法

  1. 判断链表是否为空，如果为空，将新节点的node设置为头节点，将新节点的node设置为尾节点

    head = node;
last = node;

  2. 如果链表不为空，将最后一个节点last的next域指向新节点，新节点的prev域指向最后一个节点，更新尾节点为新节点

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

动画演示：

1706271820869

代码：

    /**** 尾插法* @param data*/@Overridepublic void addLast(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;} else {last.next = node;node.prev = last;last = node;}}

2.6 指定位置插入元素

  1. 判断索引idnex是否合法，如果不合法则抛出异常。

    if (index < 0 || index > size()) {throw new IndexException("index不合法：" + index);
}

  2. 判断链表是否为空，如果为空则将新节点设置为头节点和尾节点

    if (head == null) {head = node;last = node;return;
}

  3. 如果索引index == 0，则使用头插法，如果索引index = 链表长度，则使用尾插法

    if (index == 0) {addFirst(data);return;
}
if (index == size()) {addLast(data);return;
}

  4. 找到索引节点（当前节点）

        private ListNode findIndex(int index) {ListNode cur = head;while (index != 0) {cur = cur.next;index--;}return cur;}

  5. 将新节点的next域指向当前节点，新节点的prev域指向当前节点的前一个节点，当前节点的prev域指向新节点，更新新节点的上一个节点的next域指向当前节点。

    ListNode cur = findIndex(index);
node.next = cur;
node.prev = cur.prev;
cur.prev = node;
node.prev.next = node;

动画演示：

1706272997346

2.7 查找指定元素

  1. 从头节点开始遍历链表，如果当前节点的值与要查找的key相等，则返回ture，如果不相等则移动下一个节点继续查找。如果遍历完链表都没有找到key则返回false.

代码：

    @Overridepublic boolean contains(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}

2.8 删除指定元素

  1. 从头节点开始遍历链表，找到要删除的节点

  2. 情况一：删除的节点为头节点，更新头节点为下一个节点，更新下一个节点的prev域置为空。

    1706277210409

  3. 情况二：链表中只有一个元素，且正好要删除这个元素。

  4. 情况三：删除的节点为尾节点，更新尾节点为当前节点的上一个节点，上一个节点的next域置为空

    1706277783850

  5. 情况四：删除中间节点，当前节点的上一个节点的next域指向当前节点的下一个节点，更新下一个节点的prev域指向当前节点的上一个节点

    1706278104977

  6. 删除了节点就结束方法的执行

代码：

    @Overridepublic void remove(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) { // 找到要删除的元素了if (cur == head) { // 删除头节点head = head.next;if (head != null) {head.prev = null;} else { // 链表中只有一个元素，且这个正好删除这个元素last = null;}} else { // 删除中间节点cur.prev.next = cur.next;if (cur.next != null) {cur.next.prev = cur.prev;} else {// 删除尾节点last = cur.prev;}}return;// 删除了节点就结束方法}cur = cur.next;}}

2.9 删除链表中所有指定元素

从头节点遍历链表，与删除指定元素的方式一样，删除节点后继续遍历链表，直到遍历完链表，删除所有指定的元素即可。

代码：

    @Overridepublic void removeAllKey(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) { // 找到要删除的元素了if (cur == head) { // 删除头节点head = head.next;if (head != null) {head.prev = null;} else { // 链表中只有一个元素，且这个正好删除这个元素last = null;}} else { // 删除中间节点cur.prev.next = cur.next;if (cur.next != null) {cur.next.prev = cur.prev;} else {// 删除尾节点last = cur.prev;}}}cur = cur.next;}}

2.10 统计链表元素个数

代码：

    @Overridepublic int size() {int count = 0;ListNode cur = head;while (cur != null) {count++;cur = cur.next;}return count;}

2.11 清空链表

将头节点和尾节点置为空，没有引用指向直接被JVM回收

    @Overridepublic void clear() {head = null;last = null;}

2.12 打印链表

    @Overridepublic void display() {ListNode cur = head;while (cur != null) {System.out.print(cur.val + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}

2.13 测试

public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();// 头插法myLinkedList.addFirst(1);myLinkedList.addFirst(2);myLinkedList.addFirst(3);// 打印链表myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 尾插法myLinkedList.addLast(4);myLinkedList.addLast(5);myLinkedList.addLast(6);// 打印链表myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 在4 位置插入7myLinkedList.addIndex(4,7);// 打印链表myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 查找元素 7 8System.out.println(myLinkedList.contains(7));System.out.println(myLinkedList.contains(8));System.out.println("=========");// 删除3 6 4myLinkedList.remove(3);myLinkedList.display();System.out.println("=========");myLinkedList.remove(6);myLinkedList.display();System.out.println("=========");myLinkedList.remove(4);myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 删除全部的2myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.display();myLinkedList.removeAllKey(2);myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 统计个数System.out.println(myLinkedList.size());System.out.println("=========");// 清空链表myLinkedList.clear();myLinkedList.display();System.out.println("=========");// 统计个数System.out.println(myLinkedList.size());}
}// 运行结果
3 2 1 
=========
3 2 1 4 5 6 
=========
3 2 1 4 7 5 6 
=========
true
false
=========
2 1 4 7 5 6 
=========
2 1 4 7 5 
=========
2 1 7 5 
=========
2 1 7 5 2 2 2 
1 7 5 
=========
3
==================
0

3.代码

MyLinkedList类：

public class MyLinkedList implements IList{static class ListNode {public int val; // 数值域 - 存放当前节点的值public ListNode next; // next域 指向下一个节点public ListNode prev; // prev域 指向上一个节点public ListNode(int val) {this.val = val;}}// 链表的属性 链表的头节点public ListNode head;// 链表的属性 链表的尾节点public ListNode last;/*** 头插法* @param data*/@Overridepublic void addFirst(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;}else {node.next = head;head.prev = node;head = node;}}/**** 尾插法* @param data*/@Overridepublic void addLast(int data) {ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;} else {last.next = node;node.prev = last;last = node;}}@Overridepublic void addIndex(int index, int data) {if (index < 0 || index > size()) {throw new IndexException("index不合法：" + index);}ListNode node = new ListNode(data);if (head == null) {head = node;last = node;return;}if (index == 0) {addFirst(data);return;}if (index == size()) {addLast(data);return;}ListNode cur = findIndex(index);node.next = cur;node.prev = cur.prev;cur.prev = node;node.prev.next = node;}private ListNode findIndex(int index) {ListNode cur = head;while (index != 0) {cur = cur.next;index--;}return cur;}@Overridepublic boolean contains(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}@Overridepublic void remove(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) { // 找到要删除的元素了if (cur == head) { // 删除头节点head = head.next;if (head != null) {head.prev = null;} else { // 链表中只有一个元素，且这个正好删除这个元素last = null;}} else { // 删除中间节点cur.prev.next = cur.next;if (cur.next != null) {cur.next.prev = cur.prev;} else {// 删除尾节点last = cur.prev;}}return;}cur = cur.next;}}@Overridepublic void removeAllKey(int key) {ListNode cur = head;while (cur != null) {if (cur.val == key) { // 找到要删除的元素了if (cur == head) { // 删除头节点head = head.next;if (head != null) {head.prev = null;} else { // 链表中只有一个元素，且这个正好删除这个元素last = null;}} else { // 删除中间节点cur.prev.next = cur.next;if (cur.next != null) {cur.next.prev = cur.prev;} else {// 删除尾节点last = cur.prev;}}}cur = cur.next;}}@Overridepublic int size() {int count = 0;ListNode cur = head;while (cur != null) {count++;cur = cur.next;}return count;}@Overridepublic void clear() {head = null;last = null;}@Overridepublic void display() {ListNode cur = head;while (cur != null) {System.out.print(cur.val + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}
}

接口：

public interface IList {//头插法public void addFirst(int data);//尾插法public void addLast(int data);//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标public void addIndex(int index,int data);//查找是否包含关键字key是否在单链表当中public boolean contains(int key);//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key);//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key);//得到单链表的长度public int size();// 清空链表public void clear();// 打印链表public void display();
}

异常类：

public class IndexException extends RuntimeException{public IndexException() {}public IndexException(String msg) {super(msg);}
}

4. ArrayList和LinkedList的区别

不同点ArrayListLinkedList
存储空间上物理上一定连续逻辑上连续，但物理上不一定连续
随机访问支持O(1)不支持O(n)
头插需要搬移元素，效率低O(n)只需要修改引用的指向，时间复杂度为O(1)
插入空间不够时需要扩容没有容量的概念
应用场景元素高效存储 + 频繁访问任意位置插入和删除频繁

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