链表2：设计链表（707）

本题如下（链接：https://leetcode.cn/problems/design-linked-list/）

题目：设计链表的实现。您可以选择使用单链表或双链表。单链表中的节点应该具有两个属性：val 和 next。val 是当前节点的值，next 是指向下一个节点的指针/引用。如果要使用双向链表，则还需要一个属性 prev 以指示链表中的上一个节点。假设链表中的所有节点都是 0-index 的。

在链表类中实现这些功能：

（1）get(index)：获取链表中第 index 个节点的值。如果索引无效，则返回-1。
（2）addAtHead(val)：在链表的第一个元素之前添加一个值为 val 的节点。插入后，新节点将成为链表的第一个节点。
（3）addAtTail(val)：将值为 val 的节点追加到链表的最后一个元素。
（4）addAtIndex(index,val)：在链表中的第 index 个节点之前添加值为 val  的节点。如果 index 等于链表的长度，则该节点将附加到链表的末尾。如果 index 大于链表长度，则不会插入节点。如果index小于0，则在头部插入节点。
（5）deleteAtIndex(index)：如果索引 index 有效，则删除链表中的第 index 个节点。

 

 

思路：这道题的目的主要设计链表的五个接口：

（1）获取链表第index个节点的数值

（2）在链表的最前面插入一个节点

（3）在链表的最后面插入一个节点

（4）在链表第index个节点前面插入一个节点

（5）删除链表的第index个节点

以上这五个接口，其实已经覆盖了链表的常见操作，因此这道题是练习链表操作非常好的一道题目。

删除链表节点示意图：

 

 添加链表节点示意图：

 

 

 

 

 下面采用的设置一个虚拟头结点的方法来编写C++代码，因为这种方法比较方便：

class MyLinkedList {
public:
    // 定义链表节点结构体
    struct LinkedNode {
        int val;
        LinkedNode* next;
        LinkedNode(int val):val(val), next(nullptr){}
    };

    // 初始化链表
    MyLinkedList() {
        _dummyHead = new LinkedNode(0); // 这里定义的头结点 是一个虚拟头结点，而不是真正的链表头结点
        _size = 0;
    }

    // 获取到第index个节点数值，如果index是非法数值直接返回-1， 注意index是从0开始的，第0个节点就是头结点
    int get(int index) {
        if (index > (_size - 1) || index < 0) {
            return -1;
        }
        LinkedNode* cur = _dummyHead->next;
        while(index--){ // 如果--index 就会陷入死循环
            cur = cur->next;
        }
        return cur->val;
    }

    // 在链表最前面插入一个节点，插入完成后，新插入的节点为链表的新的头结点
    void addAtHead(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        newNode->next = _dummyHead->next;
        _dummyHead->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 在链表最后面添加一个节点
    void addAtTail(int val) {
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(cur->next != nullptr){
            cur = cur->next;
        }
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 在第index个节点之前插入一个新节点，例如index为0，那么新插入的节点为链表的新头节点。
    // 如果index 等于链表的长度，则说明是新插入的节点为链表的尾结点
    // 如果index大于链表的长度，则返回空
    // 如果index小于0，则置为0，作为链表的新头节点。
    void addAtIndex(int index, int val) {
        if (index > _size || index < 0) {
            return;
        }
        LinkedNode* newNode = new LinkedNode(val);
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(index--) {
            cur = cur->next;
        }
        newNode->next = cur->next;
        cur->next = newNode;
        _size++;
    }

    // 删除第index个节点，如果index 大于等于链表的长度，直接return，注意index是从0开始的
    void deleteAtIndex(int index) {
        if (index >= _size || index < 0) {
            return;
        }
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while(index--) {
            cur = cur ->next;
        }
        LinkedNode* tmp = cur->next;
        cur->next = cur->next->next;
        delete tmp;
        _size--;
    }

    // 打印链表
    void printLinkedList() {
        LinkedNode* cur = _dummyHead;
        while (cur->next != nullptr) {
            cout << cur->next->val << " ";
            cur = cur->next;
        }
        cout << endl;
    }
private:
    int _size;
    LinkedNode* _dummyHead;

};

 

接下来给出相应的Java版本：

//单链表
class ListNode {
    int val;
    ListNode next;
    ListNode(){}
    ListNode(int val) {
        this.val=val;
    }
}
class MyLinkedList {
    //size存储链表元素的个数
    int size;
    //虚拟头结点
    ListNode head;

    //初始化链表
    public MyLinkedList() {
        size = 0;
        head = new ListNode(0);
    }

    //获取第index个节点的数值
    public int get(int index) {
        //如果index非法，返回-1
        if (index < 0 || index >= size) {
            return -1;
        }
        ListNode currentNode = head;
        //包含一个虚拟头节点，所以查找第 index+1 个节点
        for (int i = 0; i <= index; i++) {
            currentNode = currentNode.next;
        }
        return currentNode.val;
    }

    //在链表最前面插入一个节点
    public void addAtHead(int val) {
        addAtIndex(0, val);
    }

    //在链表的最后插入一个节点
    public void addAtTail(int val) {
        addAtIndex(size, val);
    }

    // 在第 index 个节点之前插入一个新节点，例如index为0，那么新插入的节点为链表的新头节点。
    // 如果 index 等于链表的长度，则说明是新插入的节点为链表的尾结点
    // 如果 index 大于链表的长度，则返回空
    public void addAtIndex(int index, int val) {
        if (index > size) {
            return;
        }
        if (index < 0) {
            index = 0;
        }
        size++;
        //找到要插入节点的前驱
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            pred = pred.next;
        }
        ListNode toAdd = new ListNode(val);
        toAdd.next = pred.next;
        pred.next = toAdd;
    }

    //删除第index个节点
    public void deleteAtIndex(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            return;
        }
        size--;
        ListNode pred = head;
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            pred = pred.next;
        }
        pred.next = pred.next.next;
    }
}

//双链表
class MyLinkedList {
    class ListNode {
        int val;
        ListNode next,prev;
        ListNode(int x) {val = x;}
    }

    int size;
    ListNode head,tail;//Sentinel node

    /** Initialize your data structure here. */
    public MyLinkedList() {
        size = 0;
        head = new ListNode(0);
        tail = new ListNode(0);
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }
    
    /** Get the value of the index-th node in the linked list. If the index is invalid, return -1. */
    public int get(int index) {
        if(index < 0 || index >= size){return -1;}
        ListNode cur = head;

        // 通过判断 index < (size - 1) / 2 来决定是从头结点还是尾节点遍历，提高效率
        if(index < (size - 1) / 2){
            for(int i = 0; i <= index; i++){
                cur = cur.next;
            }            
        }else{
            cur = tail;
            for(int i = 0; i <= size - index - 1; i++){
                cur = cur.prev;
            }
        }
        return cur.val;
    }
    
    /** Add a node of value val before the first element of the linked list. After the insertion, the new node will be the first node of the linked list. */
    public void addAtHead(int val) {
        ListNode cur = head;
        ListNode newNode = new ListNode(val);
        newNode.next = cur.next;
        cur.next.prev = newNode;
        cur.next = newNode;
        newNode.prev = cur;
        size++;
    }
    
    /** Append a node of value val to the last element of the linked list. */
    public void addAtTail(int val) {
        ListNode cur = tail;
        ListNode newNode = new ListNode(val);
        newNode.next = tail;
        newNode.prev = cur.prev;
        cur.prev.next = newNode;
        cur.prev = newNode;
        size++;
    }
    
    /** Add a node of value val before the index-th node in the linked list. If index equals to the length of linked list, the node will be appended to the end of linked list. If index is greater than the length, the node will not be inserted. */
    public void addAtIndex(int index, int val) {
        if(index > size){return;}
        if(index < 0){index = 0;}
        ListNode cur = head;
        for(int i = 0; i < index; i++){
            cur = cur.next;
        }
        ListNode newNode = new ListNode(val);
        newNode.next = cur.next;
        cur.next.prev = newNode;
        newNode.prev = cur;
        cur.next = newNode;
        size++;
    }
    
    /** Delete the index-th node in the linked list, if the index is valid. */
    public void deleteAtIndex(int index) {
        if(index >= size || index < 0){return;}
        ListNode cur = head;
        for(int i = 0; i < index; i++){
            cur = cur.next;
        }
        cur.next.next.prev = cur;
        cur.next = cur.next.next;
        size--;
    }
}

/**
 * Your MyLinkedList object will be instantiated and called as such:
 * MyLinkedList obj = new MyLinkedList();
 * int param_1 = obj.get(index);
 * obj.addAtHead(val);
 * obj.addAtTail(val);
 * obj.addAtIndex(index,val);
 * obj.deleteAtIndex(index);
 */