数据结构 链表

链表(Linked List)介绍

链表是有序的列表，但是它在内存中是存储如下
image.png
1) 链表是以节点的方式来存储，是链式存储
2) 每个节点包含 data 域， next 域：指向下一个节点；
3) 如图：发现链表的各个节点不一定是连续存储；
4) 链表分带头节点的链表和没有头节点的链表，根据实际的需求来确定
单链表(带头结点) 逻辑结构示意图如下
image.png

单链表

  1. import java.util.Stack;
  3. public class SingleLinkedListDemo {
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         //进行测试
  7.         //先创建节点
  8.         HeroNode hero1 = new HeroNode(1, "宋江", "及时雨");
  9.         HeroNode hero2 = new HeroNode(2, "卢俊义", "玉麒麟");
  10.         HeroNode hero3 = new HeroNode(3, "吴用", "智多星");
  11.         HeroNode hero4 = new HeroNode(4, "林冲", "豹子头");
  13.         //创建要给链表
  14.         SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();
  17.         //加入
  18.         singleLinkedList.add(hero1);
  19.         singleLinkedList.add(hero4);
  20.         singleLinkedList.add(hero2);
  21.         singleLinkedList.add(hero3);
  23.         // 测试一下单链表的反转功能
  24.         System.out.println("原来链表的情况~~");
  25.         singleLinkedList.list();
  27. //        System.out.println("反转单链表~~");
  28. //        reversetList(singleLinkedList.getHead());
  29. //        singleLinkedList.list();
  31.         System.out.println("测试逆序打印单链表, 没有改变链表的结构~~");
  32.         reversePrint(singleLinkedList.getHead());
  34. /*        
  35.         //加入按照编号的顺序
  36.         singleLinkedList.addByOrder(hero1);
  37.         singleLinkedList.addByOrder(hero4);
  38.         singleLinkedList.addByOrder(hero2);
  39.         singleLinkedList.addByOrder(hero3);
  41.         //显示
  42.         singleLinkedList.list();
  44.         //测试修改节点的代码
  45.         HeroNode newHeroNode = new HeroNode(2, "小卢", "玉麒麟~~");
  46.         singleLinkedList.update(newHeroNode);
  48.         System.out.println("修改后的链表情况~~");
  49.         singleLinkedList.list();
  51.         //删除一个节点
  52.         singleLinkedList.del(1);
  53.         singleLinkedList.del(4);
  54.         System.out.println("删除后的链表情况~~");
  55.         singleLinkedList.list();
  57.         //测试一下 求单链表中有效节点的个数
  58.         System.out.println("有效的节点个数=" + getLength(singleLinkedList.getHead()));//2
  60.         //测试一下看看是否得到了倒数第K个节点
  61.         HeroNode res = findLastIndexNode(singleLinkedList.getHead(), 3);
  62.         System.out.println("res=" + res);
  63. */        
  65.     }
  67.     //方式2：
  68.     //可以利用栈这个数据结构，将各个节点压入到栈中，然后利用栈的先进后出的特点，就实现了逆序打印的效果
  69.     public static void reversePrint(HeroNode head) {
  70.         if(head.next == null) {
  71.             return;//空链表，不能打印
  72.         }
  73.         //创建要给一个栈，将各个节点压入栈
  74.         Stack<HeroNode> stack = new Stack<HeroNode>();
  75.         HeroNode cur = head.next;
  76.         //将链表的所有节点压入栈
  77.         while(cur != null) {
  78.             stack.push(cur);
  79.             cur = cur.next; //cur后移，这样就可以压入下一个节点
  80.         }
  81.         //将栈中的节点进行打印,pop 出栈
  82.         while (stack.size() > 0) {
  83.             System.out.println(stack.pop()); //stack的特点是先进后出
  84.         }
  85.     }
  87.     //将单链表反转
  88.     public static void reversetList(HeroNode head) {
  89.         //如果当前链表为空，或者只有一个节点，无需反转，直接返回
  90.         if(head.next == null || head.next.next == null) {
  91.             return ;
  92.         }
  94.         //定义一个辅助的指针(变量)，帮助我们遍历原来的链表
  95.         HeroNode cur = head.next;
  96.         HeroNode next = null;// 指向当前节点[cur]的下一个节点
  97.         HeroNode reverseHead = new HeroNode(0, "", "");
  98.         //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reverseHead 的最前端
  99.         //动脑筋
  100.         while(cur != null) { 
  101.             next = cur.next;//先暂时保存当前节点的下一个节点，因为后面需要使用
  102.             cur.next = reverseHead.next;//将cur的下一个节点指向新的链表的最前端
  103.             reverseHead.next = cur; //将cur 连接到新的链表上
  104.             cur = next;//让cur后移
  105.         }
  106.         //将head.next 指向 reverseHead.next , 实现单链表的反转
  107.         head.next = reverseHead.next;
  108.     }
  110.     //查找单链表中的倒数第k个结点 【新浪面试题】
  111.     //思路
  112.     //1. 编写一个方法，接收head节点，同时接收一个index 
  113.     //2. index 表示是倒数第index个节点
  114.     //3. 先把链表从头到尾遍历，得到链表的总的长度 getLength
  115.     //4. 得到size 后，我们从链表的第一个开始遍历 (size-index)个，就可以得到
  116.     //5. 如果找到了，则返回该节点，否则返回nulll
  117.     public static HeroNode findLastIndexNode(HeroNode head, int index) {
  118.         //判断如果链表为空，返回null
  119.         if(head.next == null) {
  120.             return null;//没有找到
  121.         }
  122.         //第一个遍历得到链表的长度(节点个数)
  123.         int size = getLength(head);
  124.         //第二次遍历  size-index 位置，就是我们倒数的第K个节点
  125.         //先做一个index的校验
  126.         if(index <=0 || index > size) {
  127.             return null; 
  128.         }
  129.         //定义给辅助变量， for 循环定位到倒数的index
  130.         HeroNode cur = head.next; //3 // 3 - 1 = 2
  131.         for(int i =0; i< size - index; i++) {
  132.             cur = cur.next;
  133.         }
  134.         return cur;
  136.     }
  138.     //方法：获取到单链表的节点的个数(如果是带头结点的链表，需求不统计头节点)
  139.     /**
  140.      * 
  141.      * @param head 链表的头节点
  142.      * @return 返回的就是有效节点的个数
  143.      */
  144.     public static int getLength(HeroNode head) {
  145.         if(head.next == null) { //空链表
  146.             return 0;
  147.         }
  148.         int length = 0;
  149.         //定义一个辅助的变量, 这里我们没有统计头节点
  150.         HeroNode cur = head.next;
  151.         while(cur != null) {
  152.             length++;
  153.             cur = cur.next; //遍历
  154.         }
  155.         return length;
  156.     }
  158. }
  161. //定义SingleLinkedList 管理我们的英雄
  162. class SingleLinkedList {
  163.     //先初始化一个头节点, 头节点不要动, 不存放具体的数据
  164.     private HeroNode head = new HeroNode(0, "", "");
  167.     //返回头节点
  168.     public HeroNode getHead() {
  169.         return head;
  170.     }
  172.     //添加节点到单向链表
  173.     //思路，当不考虑编号顺序时
  174.     //1. 找到当前链表的最后节点
  175.     //2. 将最后这个节点的next 指向 新的节点
  176.     public void add(HeroNode heroNode) {
  178.         //因为head节点不能动，因此我们需要一个辅助遍历 temp
  179.         HeroNode temp = head;
  180.         //遍历链表，找到最后
  181.         while(true) {
  182.             //找到链表的最后
  183.             if(temp.next == null) {//
  184.                 break;
  185.             }
  186.             //如果没有找到最后, 将将temp后移
  187.             temp = temp.next;
  188.         }
  189.         //当退出while循环时，temp就指向了链表的最后
  190.         //将最后这个节点的next 指向 新的节点
  191.         temp.next = heroNode;
  192.     }
  194.     //第二种方式在添加英雄时，根据排名将英雄插入到指定位置
  195.     //(如果有这个排名，则添加失败，并给出提示)
  196.     public void addByOrder(HeroNode heroNode) {
  197.         //因为头节点不能动，因此我们仍然通过一个辅助指针(变量)来帮助找到添加的位置
  198.         //因为单链表，因为我们找的temp 是位于 添加位置的前一个节点，否则插入不了
  199.         HeroNode temp = head;
  200.         boolean flag = false; // flag标志添加的编号是否存在，默认为false
  201.         while(true) {
  202.             if(temp.next == null) {//说明temp已经在链表的最后
  203.                 break; //
  204.             } 
  205.             if(temp.next.no > heroNode.no) { //位置找到，就在temp的后面插入
  206.                 break;
  207.             } else if (temp.next.no == heroNode.no) {//说明希望添加的heroNode的编号已然存在
  209.                 flag = true; //说明编号存在
  210.                 break;
  211.             }
  212.             temp = temp.next; //后移，遍历当前链表
  213.         }
  214.         //判断flag 的值
  215.         if(flag) { //不能添加，说明编号存在
  216.             System.out.printf("准备插入的英雄的编号 %d 已经存在了, 不能加入\n", heroNode.no);
  217.         } else {
  218.             //插入到链表中, temp的后面
  219.             heroNode.next = temp.next;
  220.             temp.next = heroNode;
  221.         }
  222.     }
  224.     //修改节点的信息, 根据no编号来修改，即no编号不能改.
  225.     //说明
  226.     //1. 根据 newHeroNode 的 no 来修改即可
  227.     public void update(HeroNode newHeroNode) {
  228.         //判断是否空
  229.         if(head.next == null) {
  230.             System.out.println("链表为空~");
  231.             return;
  232.         }
  233.         //找到需要修改的节点, 根据no编号
  234.         //定义一个辅助变量
  235.         HeroNode temp = head.next;
  236.         boolean flag = false; //表示是否找到该节点
  237.         while(true) {
  238.             if (temp == null) {
  239.                 break; //已经遍历完链表
  240.             }
  241.             if(temp.no == newHeroNode.no) {
  242.                 //找到
  243.                 flag = true;
  244.                 break;
  245.             }
  246.             temp = temp.next;
  247.         }
  248.         //根据flag 判断是否找到要修改的节点
  249.         if(flag) {
  250.             temp.name = newHeroNode.name;
  251.             temp.nickname = newHeroNode.nickname;
  252.         } else { //没有找到
  253.             System.out.printf("没有找到 编号 %d 的节点，不能修改\n", newHeroNode.no);
  254.         }
  255.     }
  257.     //删除节点
  258.     //思路
  259.     //1. head 不能动，因此我们需要一个temp辅助节点找到待删除节点的前一个节点
  260.     //2. 说明我们在比较时，是temp.next.no 和  需要删除的节点的no比较
  261.     public void del(int no) {
  262.         HeroNode temp = head;
  263.         boolean flag = false; // 标志是否找到待删除节点的
  264.         while(true) {
  265.             if(temp.next == null) { //已经到链表的最后
  266.                 break;
  267.             }
  268.             if(temp.next.no == no) {
  269.                 //找到的待删除节点的前一个节点temp
  270.                 flag = true;
  271.                 break;
  272.             }
  273.             temp = temp.next; //temp后移，遍历
  274.         }
  275.         //判断flag
  276.         if(flag) { //找到
  277.             //可以删除
  278.             temp.next = temp.next.next;
  279.         }else {
  280.             System.out.printf("要删除的 %d 节点不存在\n", no);
  281.         }
  282.     }
  284.     //显示链表[遍历]
  285.     public void list() {
  286.         //判断链表是否为空
  287.         if(head.next == null) {
  288.             System.out.println("链表为空");
  289.             return;
  290.         }
  291.         //因为头节点，不能动，因此我们需要一个辅助变量来遍历
  292.         HeroNode temp = head.next;
  293.         while(true) {
  294.             //判断是否到链表最后
  295.             if(temp == null) {
  296.                 break;
  297.             }
  298.             //输出节点的信息
  299.             System.out.println(temp);
  300.             //将temp后移， 一定小心
  301.             temp = temp.next;
  302.         }
  303.     }
  304. }
  306. //定义HeroNode ， 每个HeroNode 对象就是一个节点
  307. class HeroNode {
  308.     public int no;
  309.     public String name;
  310.     public String nickname;
  311.     public HeroNode next; //指向下一个节点
  312.     //构造器
  313.     public HeroNode(int no, String name, String nickname) {
  314.         this.no = no;
  315.         this.name = name;
  316.         this.nickname = nickname;
  317.     }
  318.     //为了显示方法，重新toString
  319.     @Override
  320.     public String toString() {
  321.         return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + ", nickname=" + nickname + "]";
  322.     }
  324. }

双向链表

public class DoubleLinkedListDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        System.out.println("双向链表的测试");
        // 先创建节点
        HeroNode2 hero1 = new HeroNode2(1, "宋江", "及时雨");
        HeroNode2 hero2 = new HeroNode2(2, "卢俊义", "玉麒麟");
        HeroNode2 hero3 = new HeroNode2(3, "吴用", "智多星");
        HeroNode2 hero4 = new HeroNode2(4, "林冲", "豹子头");
        // 创建一个双向链表
        DoubleLinkedList doubleLinkedList = new DoubleLinkedList();
        doubleLinkedList.add(hero1);
        doubleLinkedList.add(hero2);
        doubleLinkedList.add(hero3);
        doubleLinkedList.add(hero4);

        doubleLinkedList.list();

        // 修改
        HeroNode2 newHeroNode = new HeroNode2(4, "公孙胜", "入云龙");
        doubleLinkedList.update(newHeroNode);
        System.out.println("修改后的链表情况");
        doubleLinkedList.list();

        // 删除
        doubleLinkedList.del(3);
        System.out.println("删除后的链表情况~~");
        doubleLinkedList.list();



    }

}

// 创建一个双向链表的类
class DoubleLinkedList {

    // 先初始化一个头节点, 头节点不要动, 不存放具体的数据
    private HeroNode2 head = new HeroNode2(0, "", "");

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

    // 遍历双向链表的方法
    // 显示链表[遍历]
    public void list() {
        // 判断链表是否为空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        // 因为头节点，不能动，因此我们需要一个辅助变量来遍历
        HeroNode2 temp = head.next;
        while (true) {
            // 判断是否到链表最后
            if (temp == null) {
                break;
            }
            // 输出节点的信息
            System.out.println(temp);
            // 将temp后移， 一定小心
            temp = temp.next;
        }
    }

    // 添加一个节点到双向链表的最后.
    public void add(HeroNode2 heroNode) {

        // 因为head节点不能动，因此我们需要一个辅助遍历 temp
        HeroNode2 temp = head;
        // 遍历链表，找到最后
        while (true) {
            // 找到链表的最后
            if (temp.next == null) {//
                break;
            }
            // 如果没有找到最后, 将将temp后移
            temp = temp.next;
        }
        // 当退出while循环时，temp就指向了链表的最后
        // 形成一个双向链表
        temp.next = heroNode;
        heroNode.pre = temp;
    }

    // 修改一个节点的内容, 可以看到双向链表的节点内容修改和单向链表一样
    // 只是 节点类型改成 HeroNode2
    public void update(HeroNode2 newHeroNode) {
        // 判断是否空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("链表为空~");
            return;
        }
        // 找到需要修改的节点, 根据no编号
        // 定义一个辅助变量
        HeroNode2 temp = head.next;
        boolean flag = false; // 表示是否找到该节点
        while (true) {
            if (temp == null) {
                break; // 已经遍历完链表
            }
            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 { // 没有找到
            System.out.printf("没有找到 编号 %d 的节点，不能修改\n", newHeroNode.no);
        }
    }

    // 从双向链表中删除一个节点,
    // 说明
    // 1 对于双向链表，我们可以直接找到要删除的这个节点
    // 2 找到后，自我删除即可
    public void del(int no) {

        // 判断当前链表是否为空
        if (head.next == null) {// 空链表
            System.out.println("链表为空，无法删除");
            return;
        }

        HeroNode2 temp = head.next; // 辅助变量(指针)
        boolean flag = false; // 标志是否找到待删除节点的
        while (true) {
            if (temp == null) { // 已经到链表的最后
                break;
            }
            if (temp.no == no) {
                // 找到的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;[单向链表]
            temp.pre.next = temp.next;
            // 如果是最后一个节点，就不需要执行下面这句话，否则出现空指针
            if (temp.next != null) {
                temp.next.pre = temp.pre;
            }
        } else {
            System.out.printf("要删除的 %d 节点不存在\n", no);
        }
    }

}

// 定义HeroNode2 ， 每个HeroNode 对象就是一个节点
class HeroNode2 {
    public int no;
    public String name;
    public String nickname;
    public HeroNode2 next; // 指向下一个节点, 默认为null
    public HeroNode2 pre; // 指向前一个节点, 默认为null
    // 构造器

    public HeroNode2(int no, String name, String nickname) {
        this.no = no;
        this.name = name;
        this.nickname = nickname;
    }

    // 为了显示方法，我们重新toString
    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + ", nickname=" + nickname + "]";
    }

}

单向环形链表

应用场景

Josephu(约瑟夫、约瑟夫环) 问题

Josephu 问题为：设编号为 1，2，… n 的 n 个人围坐一圈，约定编号为 k（1<=k<=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 的那个人又出列，依次类推，直到所有人出列为止，由此产生一个出队编号的序列。

实现代码

public class Josepfu {

  public static void main(String[] args) {
    // 测试一下看看构建环形链表，和遍历是否ok
    CircleSingleLinkedList circleSingleLinkedList = new CircleSingleLinkedList();
    circleSingleLinkedList.addBoy(125);// 加入5个小孩节点
    circleSingleLinkedList.showBoy();

    //测试一下小孩出圈是否正确
    circleSingleLinkedList.countBoy(10, 20, 125); // 2->4->1->5->3
    //String str = "7*2*2-5+1-5+3-3";
  }

}

// 创建一个环形的单向链表
class CircleSingleLinkedList {
  // 创建一个first节点,当前没有编号
  private Boy first = null;

  // 添加小孩节点，构建成一个环形的链表
  public void addBoy(int nums) {
    // nums 做一个数据校验
    if (nums < 1) {
      System.out.println("nums的值不正确");
      return;
    }
    Boy curBoy = null; // 辅助指针，帮助构建环形链表
    // 使用for来创建我们的环形链表
    for (int i = 1; i <= nums; i++) {
      // 根据编号，创建小孩节点
      Boy boy = new Boy(i);
      // 如果是第一个小孩
      if (i == 1) {
        first = boy;
        first.setNext(first); // 构成环
        curBoy = first; // 让curBoy指向第一个小孩
      } else {
        curBoy.setNext(boy);//
        boy.setNext(first);//
        curBoy = boy;
      }
    }
  }

  // 遍历当前的环形链表
  public void showBoy() {
    // 判断链表是否为空
    if (first == null) {
      System.out.println("没有任何小孩~~");
      return;
    }
    // 因为first不能动，因此我们仍然使用一个辅助指针完成遍历
    Boy curBoy = first;
    while (true) {
      System.out.printf("小孩的编号 %d \n", curBoy.getNo());
      if (curBoy.getNext() == first) {// 说明已经遍历完毕
        break;
      }
      curBoy = curBoy.getNext(); // curBoy后移
    }
  }

  // 根据用户的输入，计算出小孩出圈的顺序
  /**
     * 
     * @param startNo
     *            表示从第几个小孩开始数数
     * @param countNum
     *            表示数几下
     * @param nums
     *            表示最初有多少小孩在圈中
     */
  public void countBoy(int startNo, int countNum, int nums) {
    // 先对数据进行校验
    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,帮助完成小孩出圈
    Boy helper = first;
    // 需求创建一个辅助指针(变量) helper , 事先应该指向环形链表的最后这个节点
    while (true) {
      if (helper.getNext() == first) { // 说明helper指向最后小孩节点
        break;
      }
      helper = helper.getNext();
    }
    //小孩报数前，先让 first 和  helper 移动 k - 1次
    for(int j = 0; j < startNo - 1; j++) {
      first = first.getNext();
      helper = helper.getNext();
    }
    //当小孩报数时，让first 和 helper 指针同时 的移动  m  - 1 次, 然后出圈
    //这里是一个循环操作，知道圈中只有一个节点
    while(true) {
      if(helper == first) { //说明圈中只有一个节点
        break;
      }
      //让 first 和 helper 指针同时 的移动 countNum - 1
      for(int j = 0; j < countNum - 1; j++) {
        first = first.getNext();
        helper = helper.getNext();
      }
      //这时first指向的节点，就是要出圈的小孩节点
      System.out.printf("小孩%d出圈\n", first.getNo());
      //这时将first指向的小孩节点出圈
      first = first.getNext();
      helper.setNext(first); //

    }
    System.out.printf("最后留在圈中的小孩编号%d \n", first.getNo());

  }
}

// 创建一个Boy类，表示一个节点
class Boy {
  private int no;// 编号
  private Boy next; // 指向下一个节点,默认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;
  }

}