相比数组，链表是一种稍微复杂一点的数据结构。我们先从底层的存储结构上来看一看数组和链表的区别。
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从图中可以看到，数组需要一块连续的内存空间来存储，对内存的要求比较高。而链表恰恰相反，它并不需要一块连续的内存空间，它通过指针将一组零散的内存块串联起来使用。

常用链表结构

链表的结构五花八门，下面重点介绍三种最常见的链表结构，它们分别是：单链表、双向链表和循环链表。

1. 单链表

刚刚讲到，链表通过指针将一组零散的内存块串联在一起。其中，我们把内存块称为链表的结点（Node）。为了将所有的结点串起来，每个链表的结点除了存储数据（data）之外，还需要存储一个指向下一个结点地址的后继指针（next）。
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从图中可以看到，其中有两个结点是比较特殊的，它们分别是第一个结点和最后一个结点。我们通常把第一个结点叫作头结点（head），把最后一个结点叫作尾结点（tail）。其中，头结点用来记录链表的基地址。有了它，我们就可以遍历得到整条链表。而尾结点特殊的地方是：指针不是指向下一个结点，而是指向一个空地址 NULL，表示这是链表上最后一个结点。

与数组一样，链表也支持数据的查找、插入和删除操作。我们知道，在进行数组的插入、删除操作时，为了保持内存数据的连续性，需要做大量的数据搬移，所以时间复杂度是 O(n)。而链表的存储空间本身就不是连续的，我们只需要考虑相邻结点的指针改变，所以对应的时间复杂度是 O(1)。（这里的时间复杂度不包括查找前驱节点的时间）。
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插入、删除的代码实现

  1. public class LinkedList<T> {
  3.     /** 头结点 */
  4.     private SNode<T> headNode;
  5.     /** 链表长度 */
  6.     private int length;
  8.     /**
  9.      * 添加链表元素(头插法)
  10.      */
  11.     public void addHead(T data) {
  12.         SNode<T> node = new SNode<>(data, null);
  13.         length++;
  14.         if (headNode == null) {
  15.             headNode = node;
  16.             return;
  17.         }
  18.         node.next = headNode;
  19.         headNode = node;
  20.     }
  22.     /**
  23.      * 添加链表元素(尾插法)
  24.      */
  25.     public void addTail(T data) {
  26.         SNode<T> node = new SNode<>(data, null);
  27.         length++;
  28.         if (headNode == null) {
  29.             headNode = node;
  30.         } else {
  31.             // 获取尾节点
  32.             SNode<T> tail = headNode;
  33.             while (tail.next != null) {
  34.                 tail = tail.next;
  35.             }
  36.             tail.next = node;
  37.         }
  38.     }
  40.     /**
  41.      * 删除链表元素
  42.      */
  43.     public void delete(T data) {
  44.         if (headNode == null || data == null) {
  45.             return;
  46.         }
  47.         if (headNode.element.equals(data)) {
  48.             headNode = headNode.next;
  49.             length--;
  50.             return;
  51.         }
  52.         // 获取待删除节点的前一个节点
  53.         SNode<T> prev = headNode;
  54.         while (prev.next != null && !prev.next.element.equals(data)) {
  55.             prev = prev.next;
  56.         }
  57.         if (prev.next == null) {
  58.             return;
  59.         }
  60.         // 删除节点
  61.         prev.next = prev.next.next;
  62.         length--;
  63.     }
  65.     public static class SNode<T> {
  67.         private final T element;
  68.         private SNode<T> next;
  70.         public SNode(T element, SNode<T> next) {
  71.             this.element = element;
  72.             this.next = next;
  73.         }
  74.     }
  75. }

但是，有利就有弊。链表要想随机访问第 k 个元素，就没有数组那么高效了。因为链表中的数据并非是连续存储的，所以无法像数组那样，根据首地址和下标，通过寻址公式就能直接计算出对应的内存地址，而是需要根据指针一个结点一个结点地依次遍历，直到找到相应的结点。所以，链表随机访问的时间复杂度为 O(n) 。

2. 循环链表

循环链表是一种特殊的单链表，它跟单链表唯一的区别就在尾结点。我们知道，单链表的尾结点指针指向空地址，表示这就是最后的结点了，而循环链表的尾结点是指向链表的头结点，所以叫作循环链表。
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和单链表相比，循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。当要处理的数据具有环型结构特点时，就特别适合采用循环链表。

3. 双向链表

单向链表只有一个方向，结点只有一个后继指针 next 指向后面的结点。而双向链表支持两个方向，每个结点不止有一个后继指针 next 指向后面的结点，还有一个前驱指针 prev 指向前面的结点。
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从图中可以看到，双向链表的每个结点都需要额外的两个空间来存储后继结点和前驱结点的地址，所以，如果存储同样多的数据，双向链表要比单链表占用更多的内存空间。虽然两个指针比较浪费存储空间，但可以支持双向遍历，这样也带来了双向链表操作的灵活性。

从结构上来看，双向链表可以支持 O(1) 时间复杂度的情况下找到前驱结点，正是这样的特点，也使双向链表在某些情况下的插入、删除等操作都要比单链表简单、高效。

1）删除操作
在实际开发中，从链表中删除一个数据无外乎这两种情况：

  • 删除结点中“值等于某个给定值”的结点；
  • 删除给定指针指向的结点。

对于第一种情况，不管是单链表还是双向链表，为了查找到值等于给定值的结点，都需要从头结点开始一个一个依次遍历对比，直到找到值等于给定值的结点，然后再通过指针操作将其删除。尽管单纯的删除操作时间复杂度是 O(1)，但遍历查找的时间是主要的耗时点，对应的时间复杂度为 O(n)。根据时间复杂度分析中的加法法则，删除值等于给定值的结点对应的链表操作的总时间复杂度为 O(n)。

对于第二种情况，我们已经找到了要删除的结点，但删除某个结点需要知道其前驱结点，而单链表并不支持直接获取前驱结点，所以为了找到前驱结点，我们还是要从头结点开始遍历链表。但对于双向链表来说，因为双向链表中的结点已经保存了前驱结点的指针，不需要像单链表那样遍历，直接进行指针的删除操作即可。所以，针对这种情况，单链表删除操作需要 O(n) 的时间复杂度，而双向链表只需要在 O(1) 的时间复杂度内就搞定了。在链表的某个指定结点前面插入一个结点也是同理。

2）按值查询
除了插入、删除操作有优势外，对于一个有序链表，双向链表按值查询的效率也要比单链表高一些。我们可以记录上次查找的位置 p，每次查询时根据要查找的值与 p 的大小关系，决定是往前还是往后查找，所以平均只需要查找一半的数据。

链表 VS 数组

通过上面的内容我们得知，数组和链表是两种截然不同的内存组织方式。正是因为内存存储的区别，它们插入、删除、随机访问操作的时间复杂度正好相反。
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不过，数组和链表的对比，并不能局限于时间复杂度。数组简单易用，在实现上使用的是连续的内存空间，可以借助 CPU 的缓存机制，预读数组中的数据，所以访问效率会更高。而链表在内存中并不是连续存储，所以对 CPU 缓存不友好，没办法有效预读。

数组的缺点是大小固定，一经声明就要占用整块连续内存空间。如果声明的数组过大，系统可能没有足够的连续内存空间分配给它，导致“内存不足（Out Of Memory）”。如果声明的数组过小，则可能出现不够用的情况。这时只能再申请一个更大的内存空间，把原数组拷贝进去，非常费时。而链表本身没有大小的限制，天然地支持动态扩容。

除此之外，如果你的代码对内存的使用非常苛刻，那数组就更适合你。因为链表中的每个结点都需要消耗额外的存储空间去存储一份指向下一个结点的指针。而且对链表进行频繁的插入、删除操作会导致频繁的内存申请和释放，容易造成内存碎片，如果是 Java 语言，就有可能会导致频繁的 GC。所以在实际开发中，要针对不同类型的项目权衡是选择数组还是链表。

链表代码技巧

1. 警惕指针丢失和内存泄漏

下面以单链表的插入操作为例来分析一下。
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如图所示，我们希望在结点 a 和相邻的结点 b 之间插入结点 x，假设当前指针 p 指向结点 a。如果我们将代码实现变成下面这个样子，就会发生指针丢失和内存泄露。

p->next = x;  // 将p的next指针指向x结点；
x->next = p->next;  // 将x的结点的next指针指向b结点；

因为 p->next 指针在完成第一步操作之后，已经不再指向结点 b 了，而是指向结点 x。第 2 行代码相当于将 x 赋值给 x->next，自己指向自己。因此，整个链表也就断成了两半，从结点 b 往后的所有结点都无法访问到了。

对于有些语言来说，比如 C 语言，内存管理是由程序员负责的，如果没有手动释放结点对应的内存空间，就会产生内存泄露。所以我们插入结点时，一定要注意操作的顺序，要先将结点 x 的 next 指针指向结点 b，再把结点 a 的 next 指针指向结点 x，这样才不会丢失指针，导致内存泄漏。同理，删除链表结点时，也一定要记得手动释放内存空间，否则也会出现内存泄漏的问题。当然，对于像 Java 这种虚拟机自动管理内存的编程语言来说，就不需要考虑这么多了。

2. 利用哨兵简化实现难度

如果我们想在结点 p 后面插入一个新的结点，只需要下面两行代码就可以搞定。

new_node->next = p->next;
p->next = new_node;

但当我们要向一个空链表中插入第一个结点，刚刚的逻辑就不能用了。我们需要进行下面这样的特殊处理，其中 head 表示链表的头结点指针。所以我们可以发现，对于单链表的插入操作，第一个结点和其他结点的插入逻辑是不一样的。

if (head == null) { 
    head = new_node;
}

再来看单链表结点的删除操作。如果要删除结点 p 的后继结点，我们只需要一行代码就可以搞定。

p->next = p->next->next;

但如果我们要删除链表中的最后一个结点，前面的删除代码就不行了。我们也需要对于这种情况特殊处理：

if (head->next == null) { 
    head = null;
}

从前面的一步一步分析，我们可以看出，针对链表的插入、删除操作，需要对插入第一个结点和删除最后一个结点的情况进行特殊处理。这样代码实现起来就会很繁琐，不简洁，而且也容易因为考虑不全而出错。此时，哨兵就要登场了。

哨兵结点是为了解决边界问题的，不直接参与业务逻辑。如果我们引入哨兵结点，在任何时候，不管链表是不是空，head 指针都会一直指向这个哨兵结点。我们也把这种有哨兵结点的链表叫带头链表。相反，没有哨兵结点的链表就叫作不带头链表。由图可知，哨兵结点是不存储数据的。因为哨兵结点一直存在，所以插入第一个结点和插入其他结点，删除最后一个结点和删除其他结点，都可以统一为相同的代码实现逻辑了。
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3. 留意边界条件处理

软件开发中，代码在一些边界或者异常情况下最容易产生 Bug。要实现没有 Bug 的链表代码，一定要在编写的过程中以及编写完成之后，检查边界条件是否考虑全面，以及代码在边界条件下是否能正确运行。检查链表代码是否正确的边界条件主要有：

  • 如果链表为空时，代码是否能正常工作？
  • 如果链表只包含一个结点时，代码是否能正常工作？
  • 如果链表只包含两个结点时，代码是否能正常工作？
  • 代码逻辑在处理头结点和尾结点的时候，是否能正常工作？

当你写完链表代码之后，除了看下你写的代码在正常的情况下能否工作，还要看下在上面我列举的几个边界条件下，代码仍然能否正确工作。当然，边界条件不止这些。针对不同的场景，可能还有特定的边界条件，这个需要自己去思考。
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