前面博客我們在講解數組中，知道數組作為數據存儲結構有一定的缺陷。在無序數組中，搜索性能差，在有序數組中，插入效率又很低，而且這兩種數組的刪除效率都很低，并且數組在創(chuàng)建后，其大小是固定了，設置的過大會造成內存的浪費，過小又不能滿足數據量的存儲。

本篇博客我們將講解一種新型的數據結構——鏈表。我們知道數組是一種通用的數據結構，能用來實現棧、隊列等很多數據結構。而鏈表也是一種使用廣泛的通用數據結構，它也可以用來作為實現棧、隊列等數據結構的基礎，基本上除非需要頻繁的通過下標來隨機訪問各個數據，否則很多使用數組的地方都可以用鏈表來代替。

但是我們需要說明的是，鏈表是不能解決數據存儲的所有問題的，它也有它的優(yōu)點和缺點。本篇博客我們介紹幾種常見的鏈表，分別是單向鏈表、雙端鏈表、有序鏈表、雙向鏈表以及有迭代器的鏈表。并且會講解一下抽象數據類型（ADT）的思想，如何用 ADT 描述棧和隊列，如何用鏈表代替數組來實現棧和隊列。

1、鏈表（Linked List）

鏈表通常由一連串節(jié)點組成，每個節(jié)點包含任意的實例數據（data fields）和一或兩個用來指向上一個/或下一個節(jié)點的位置的鏈接（"links"）

鏈表（Linked list）是一種常見的基礎數據結構，是一種線性表，但是并不會按線性的順序存儲數據，而是在每一個節(jié)點里存到下一個節(jié)點的指針(Pointer)。

使用鏈表結構可以克服數組鏈表需要預先知道數據大小的缺點，鏈表結構可以充分利用計算機內存空間，實現靈活的內存動態(tài)管理。但是鏈表失去了數組隨機讀取的優(yōu)點，同時鏈表由于增加了結點的指針域，空間開銷比較大。

2、單向鏈表（Single-Linked List）

單鏈表是鏈表中結構最簡單的。一個單鏈表的節(jié)點(Node)分為兩個部分，第一個部分(data)保存或者顯示關于節(jié)點的信息，另一個部分存儲下一個節(jié)點的地址。最后一個節(jié)點存儲地址的部分指向空值。

單向鏈表只可向一個方向遍歷，一般查找一個節(jié)點的時候需要從第一個節(jié)點開始每次訪問下一個節(jié)點，一直訪問到需要的位置。而插入一個節(jié)點，對于單向鏈表，我們只提供在鏈表頭插入，只需要將當前插入的節(jié)點設置為頭節(jié)點，next指向原頭節(jié)點即可。刪除一個節(jié)點，我們將該節(jié)點的上一個節(jié)點的next指向該節(jié)點的下一個節(jié)點。

image

在表頭增加節(jié)點：

image

刪除節(jié)點：

image

①、單向鏈表的具體實現

package com.ys.datastructure;

public class SingleLinkedList {
    private int size;//鏈表節(jié)點的個數
    private Node head;//頭節(jié)點
    
    public SingleLinkedList(){
        size = 0;
        head = null;
    }
    
    //鏈表的每個節(jié)點類
    private class Node{
        private Object data;//每個節(jié)點的數據
        private Node next;//每個節(jié)點指向下一個節(jié)點的連接
        
        public Node(Object data){
            this.data = data;
        }
    }
    
    //在鏈表頭添加元素
    public Object addHead(Object obj){
        Node newHead = new Node(obj);
        if(size == 0){
            head = newHead;
        }else{
            newHead.next = head;
            head = newHead;
        }
        size++;
        return obj;
    }
    
    //在鏈表頭刪除元素
    public Object deleteHead(){
        Object obj = head.data;
        head = head.next;
        size--;
        return obj;
    }
    
    //查找指定元素，找到了返回節(jié)點Node，找不到返回null
    public Node find(Object obj){
        Node current = head;
        int tempSize = size;
        while(tempSize > 0){
            if(obj.equals(current.data)){
                return current;
            }else{
                current = current.next;
            }
            tempSize--;
        }
        return null;
    }
    
    //刪除指定的元素，刪除成功返回true
    public boolean delete(Object value){
        if(size == 0){
            return false;
        }
        Node current = head;
        Node previous = head;
        while(current.data != value){
            if(current.next == null){
                return false;
            }else{
                previous = current;
                current = current.next;
            }
        }
        //如果刪除的節(jié)點是第一個節(jié)點
        if(current == head){
            head = current.next;
            size--;
        }else{//刪除的節(jié)點不是第一個節(jié)點
            previous.next = current.next;
            size--;
        }
        return true;
    }
    
    //判斷鏈表是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (size == 0);
    }
    
    //顯示節(jié)點信息
    public void display(){
        if(size >0){
            Node node = head;
            int tempSize = size;
            if(tempSize == 1){//當前鏈表只有一個節(jié)點
                System.out.println("["+node.data+"]");
                return;
            }
            while(tempSize>0){
                if(node.equals(head)){
                    System.out.print("["+node.data+"->");
                }else if(node.next == null){
                    System.out.print(node.data+"]");
                }else{
                    System.out.print(node.data+"->");
                }
                node = node.next;
                tempSize--;
            }
            System.out.println();
        }else{//如果鏈表一個節(jié)點都沒有，直接打印[]
            System.out.println("[]");
        }
        
    }

}

測試：

@Test
public void testSingleLinkedList(){
    SingleLinkedList singleList = new SingleLinkedList();
    singleList.addHead("A");
    singleList.addHead("B");
    singleList.addHead("C");
    singleList.addHead("D");
    //打印當前鏈表信息
    singleList.display();
    //刪除C
    singleList.delete("C");
    singleList.display();
    //查找B
    System.out.println(singleList.find("B"));
}

打印結果：

image

②、用單向鏈表實現棧

棧的pop()方法和push()方法，對應于鏈表的在頭部刪除元素deleteHead()以及在頭部增加元素addHead()。

package com.ys.datastructure;

public class StackSingleLink {
    private SingleLinkedList link;
    
    public StackSingleLink(){
        link = new SingleLinkedList();
    }
    
    //添加元素
    public void push(Object obj){
        link.addHead(obj);
    }
    
    //移除棧頂元素
    public Object pop(){
        Object obj = link.deleteHead();
        return obj;
    }
    
    //判斷是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return link.isEmpty();
    }
    
    //打印棧內元素信息
    public void display(){
        link.display();
    }

}

4、雙端鏈表

對于單項鏈表，我們如果想在尾部添加一個節(jié)點，那么必須從頭部一直遍歷到尾部，找到尾節(jié)點，然后在尾節(jié)點后面插入一個節(jié)點。這樣操作很麻煩，如果我們在設計鏈表的時候多個對尾節(jié)點的引用，那么會簡單很多。

image

注意和后面將的雙向鏈表的區(qū)別?。?！

①、雙端鏈表的具體實現

package com.ys.link;

public class DoublePointLinkedList {
    private Node head;//頭節(jié)點
    private Node tail;//尾節(jié)點
    private int size;//節(jié)點的個數
    
    private class Node{
        private Object data;
        private Node next;
        
        public Node(Object data){
            this.data = data;
        }
    }
    
    public DoublePointLinkedList(){
        size = 0;
        head = null;
        tail = null;
    }
    
    //鏈表頭新增節(jié)點
    public void addHead(Object data){
        Node node = new Node(data);
        if(size == 0){//如果鏈表為空，那么頭節(jié)點和尾節(jié)點都是該新增節(jié)點
            head = node;
            tail = node;
            size++;
        }else{
            node.next = head;
            head = node;
            size++;
        }
    }
    
    //鏈表尾新增節(jié)點
    public void addTail(Object data){
        Node node = new Node(data);
        if(size == 0){//如果鏈表為空，那么頭節(jié)點和尾節(jié)點都是該新增節(jié)點
            head = node;
            tail = node;
            size++;
        }else{
            tail.next = node;
            tail = node;
            size++;
        }
    }
    
    //刪除頭部節(jié)點，成功返回true，失敗返回false
    public boolean deleteHead(){
        if(size == 0){//當前鏈表節(jié)點數為0
            return false;
        }
        if(head.next == null){//當前鏈表節(jié)點數為1
            head = null;
            tail = null;
        }else{
            head = head.next;
        }
        size--;
        return true;
    }
    //判斷是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (size ==0);
    }
    //獲得鏈表的節(jié)點個數
    public int getSize(){
        return size;
    }
    
    //顯示節(jié)點信息
    public void display(){
        if(size >0){
            Node node = head;
            int tempSize = size;
            if(tempSize == 1){//當前鏈表只有一個節(jié)點
                System.out.println("["+node.data+"]");
                return;
            }
            while(tempSize>0){
                if(node.equals(head)){
                    System.out.print("["+node.data+"->");
                }else if(node.next == null){
                    System.out.print(node.data+"]");
                }else{
                    System.out.print(node.data+"->");
                }
                node = node.next;
                tempSize--;
            }
            System.out.println();
        }else{//如果鏈表一個節(jié)點都沒有，直接打印[]
            System.out.println("[]");
        }
    }

}

②、用雙端鏈表實現隊列

package com.ys.link;

public class QueueLinkedList {
    
    private DoublePointLinkedList dp;
    
    public QueueLinkedList(){
        dp = new DoublePointLinkedList();
    }
    public void insert(Object data){
        dp.addTail(data);
    }
    
    public void delete(){
        dp.deleteHead();
    }
    
    public boolean isEmpty(){
        return dp.isEmpty();
    }
    
    public int getSize(){
        return dp.getSize();
    }
    
    public void display(){
        dp.display();
    }
    
}

5、抽象數據類型（ADT）

在介紹抽象數據類型的時候，我們先看看什么是數據類型，聽到這個詞，在Java中我們可能首先會想到像 int,double這樣的詞，這是Java中的基本數據類型，一個數據類型會涉及到兩件事：

①、擁有特定特征的數據項

②、在數據上允許的操作

比如Java中的int數據類型，它表示整數，取值范圍為：-2147483648~2147483647，還能使用各種操作符，+、-、*、/ 等對其操作。數據類型允許的操作是它本身不可分離的部分，理解類型包括理解什么樣的操作可以應用在該類型上。

那么當年設計計算機語言的人，為什么會考慮到數據類型？

我們先看這樣一個例子，比如，大家都需要住房子，也都希望房子越大越好。但顯然，沒有錢，考慮房子沒有意義。于是就出現了各種各樣的商品房，有別墅的、復式的、錯層的、單間的……甚至只有兩平米的膠囊房間。這樣做的意義是滿足不同人的需要。

同樣，在計算機中，也存在相同的問題。計算1+1這樣的表達式不需要開辟很大的存儲空間，不需要適合小數甚至字符運算的內存空間。于是計算機的研究者們就考慮，要對數據進行分類，分出來多種數據類型。比如int，比如float。

雖然不同的計算機有不同的硬件系統(tǒng)，但實際上高級語言編寫者才不管程序運行在什么計算機上，他們的目的就是為了實現整形數字的運算，比如a+b等。他們才不關心整數在計算機內部是如何表示的，也不管CPU是如何計算的。于是我們就考慮，無論什么計算機、什么語言都會面臨類似的整數運算，我們可以考慮將其抽象出來。抽象是抽取出事物具有的普遍性本質，是對事物的一個概括，是一種思考問題的方式。

抽象數據類型（ADT）是指一個數學模型及定義在該模型上的一組操作。它僅取決于其邏輯特征，而與計算機內部如何表示和實現無關。比如剛才說得整型，各個計算機，不管大型機、小型機、PC、平板電腦甚至智能手機，都有“整型”類型，也需要整形運算，那么整型其實就是一個抽象數據類型。

更廣泛一點的，比如我們剛講解的棧和隊列這兩種數據結構，我們分別使用了數組和鏈表來實現，比如棧，對于使用者只需要知道pop()和push()方法或其它方法的存在以及如何使用即可，使用者不需要知道我們是使用的數組或是鏈表來實現的。

ADT的思想可以作為我們設計工具的理念，比如我們需要存儲數據，那么就從考慮需要在數據上實現的操作開始，需要存取最后一個數據項嗎？還是第一個？還是特定值的項？還是特定位置的項？回答這些問題會引出ADT的定義，只有完整的定義了ADT后，才應該考慮實現的細節(jié)。

這在我們Java語言中的接口設計理念是想通的。

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6、有序鏈表

前面的鏈表實現插入數據都是無序的，在有些應用中需要鏈表中的數據有序，這稱為有序鏈表。

在有序鏈表中，數據是按照關鍵值有序排列的。一般在大多數需要使用有序數組的場合也可以使用有序鏈表。有序鏈表優(yōu)于有序數組的地方是插入的速度（因為元素不需要移動），另外鏈表可以擴展到全部有效的使用內存，而數組只能局限于一個固定的大小中。

package com.ys.datastructure;

public class OrderLinkedList {
    private Node head;
    
    private class Node{
        private int data;
        private Node next;
        
        public Node(int data){
            this.data = data;
        }
    }

    public OrderLinkedList(){
        head = null;
    }
    
    //插入節(jié)點，并按照從小打到的順序排列
    public void insert(int value){
        Node node = new Node(value);
        Node pre = null;
        Node current = head;
        while(current != null && value > current.data){
            pre = current;
            current = current.next;
        }
        if(pre == null){
            head = node;
            head.next = current;
        }else{
            pre.next = node;
            node.next = current;
        }
    }
    
    //刪除頭節(jié)點
    public void deleteHead(){
        head = head.next;
    }
    
    public void display(){
        Node current = head;
        while(current != null){
            System.out.print(current.data+" ");
            current = current.next;
        }
        System.out.println("");
    }
    
}

在有序鏈表中插入和刪除某一項最多需要O(N)次比較，平均需要O(N/2)次，因為必須沿著鏈表上一步一步走才能找到正確的插入位置，然而可以最快速度刪除最值，因為只需要刪除表頭即可，如果一個應用需要頻繁的存取最小值，且不需要快速的插入，那么有序鏈表是一個比較好的選擇方案。比如優(yōu)先級隊列可以使用有序鏈表來實現。

7、有序鏈表和無序數組組合排序

比如有一個無序數組需要排序，前面我們在講解冒泡排序、選擇排序、插入排序這三種簡單的排序時，需要的時間級別都是O(N2)。

現在我們講解了有序鏈表之后，對于一個無序數組，我們先將數組元素取出，一個一個的插入到有序鏈表中，然后將他們從有序鏈表中一個一個刪除，重新放入數組，那么數組就會排好序了。和插入排序一樣，如果插入了N個新數據，那么進行大概N2/4次比較。但是相對于插入排序，每個元素只進行了兩次排序，一次從數組到鏈表，一次從鏈表到數組，大概需要2*N次移動，而插入排序則需要N2次移動，

效率肯定是比前面講的簡單排序要高，但是缺點就是需要開辟差不多兩倍的空間，而且數組和鏈表必須在內存中同時存在，如果有現成的鏈表可以用，那么這種方法還是挺好的。

8、雙向鏈表

我們知道單向鏈表只能從一個方向遍歷，那么雙向鏈表它可以從兩個方向遍歷。

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具體代碼實現：

package com.ys.datastructure;

public class TwoWayLinkedList {
    private Node head;//表示鏈表頭
    private Node tail;//表示鏈表尾
    private int size;//表示鏈表的節(jié)點個數
    
    private class Node{
        private Object data;
        private Node next;
        private Node prev;
        
        public Node(Object data){
            this.data = data;
        }
    }
    
    public TwoWayLinkedList(){
        size = 0;
        head = null;
        tail = null;
    }
    
    //在鏈表頭增加節(jié)點
    public void addHead(Object value){
        Node newNode = new Node(value);
        if(size == 0){
            head = newNode;
            tail = newNode;
            size++;
        }else{
            head.prev = newNode;
            newNode.next = head;
            head = newNode;
            size++;
        }
    }
    
    //在鏈表尾增加節(jié)點
    public void addTail(Object value){
        Node newNode = new Node(value);
        if(size == 0){
            head = newNode;
            tail = newNode;
            size++;
        }else{
            newNode.prev = tail;
            tail.next = newNode;
            tail = newNode;
            size++;
        }
    }
    
    //刪除鏈表頭
    public Node deleteHead(){
        Node temp = head;
        if(size != 0){
            head = head.next;
            head.prev = null;
            size--;
        }
        return temp;
    }
    
    //刪除鏈表尾
    public Node deleteTail(){
        Node temp = tail;
        if(size != 0){
            tail = tail.prev;
            tail.next = null;
            size--;
        }
        return temp;
    }
    
    //獲得鏈表的節(jié)點個數
    public int getSize(){
        return size;
    }
    //判斷鏈表是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (size == 0);
    }
    
    //顯示節(jié)點信息
    public void display(){
        if(size >0){
            Node node = head;
            int tempSize = size;
            if(tempSize == 1){//當前鏈表只有一個節(jié)點
                System.out.println("["+node.data+"]");
                return;
            }
            while(tempSize>0){
                if(node.equals(head)){
                    System.out.print("["+node.data+"->");
                }else if(node.next == null){
                    System.out.print(node.data+"]");
                }else{
                    System.out.print(node.data+"->");
                }
                node = node.next;
                tempSize--;
            }
            System.out.println();
        }else{//如果鏈表一個節(jié)點都沒有，直接打印[]
            System.out.println("[]");
        }
        
    }
}

我們也可以用雙向鏈表來實現雙端隊列，這里就不做具體代碼演示了。

9、總結

上面我們講了各種鏈表，每個鏈表都包括一個LinikedList對象和許多Node對象，LinkedList對象通常包含頭和尾節(jié)點的引用，分別指向鏈表的第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點。而每個節(jié)點對象通常包含數據部分data，以及對上一個節(jié)點的引用prev和下一個節(jié)點的引用next，只有下一個節(jié)點的引用稱為單向鏈表，兩個都有的稱為雙向鏈表。next值為null則說明是鏈表的結尾，如果想找到某個節(jié)點，我們必須從第一個節(jié)點開始遍歷，不斷通過next找到下一個節(jié)點，直到找到所需要的。棧和隊列都是ADT，可以用數組來實現，也可以用鏈表實現。