链表

第4章 链表

4.1链表介绍

链表是有序的列表，但是它在内存中是存储如下

小结上图:

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

4.2单链表的应用实例

使用带 head 头的单向链表实现 –水浒英雄排行榜管理完成对英雄人物的增删改查操作， 注: 删除和修改

1. 第一种方法在添加英雄时，直接添加到链表的尾部 思路分析示意图:

2. 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(如果有这个排名，则添加失败，并给出提示) 思路的分析示意图:

3. 修改节点功能

思路: (1) 先找到该节点，通过遍历

	(2) temp.name = newHeroNode.name ; temp.nickname= newHeroNode.nickname

4. 删除节点

思路分析的示意图:

5. 完成的代码:

package linkedlist;

import javax.sound.midi.Soundbank;
import javax.swing.*;
import java.sql.SQLOutput;

public class SingleLinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //进项测试
        //先创建节点


        HeroNode hero1 = new HeroNode(1, "宋江", "及时雨");
        HeroNode hero2 = new HeroNode(2, "卢俊义", "玉麒麟");
        HeroNode hero3 = new HeroNode(3, "吴用", "智多星");
        HeroNode hero4 = new HeroNode(4, "林冲", "豹子头");
        //创建链表
        SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();
        //加入
//        singleLinkedList.add(hero1);
//        singleLinkedList.add(hero4);
//        singleLinkedList.add(hero3);
//        singleLinkedList.add(hero2);
        //加入按照编号的顺序
        singleLinkedList.addByOrder(hero1);
        singleLinkedList.addByOrder(hero4);
        singleLinkedList.addByOrder(hero2);
        singleLinkedList.addByOrder(hero3);
        //显示一把
        singleLinkedList.list();
        //测试修改节点的代码
        HeroNode newHeroNode = new HeroNode(2,"小卢","玉麒麟~~~");
        singleLinkedList.update(newHeroNode);
        System.out.println("修改后的链表情况");
        singleLinkedList.list();
        //删除一个节点
        singleLinkedList.del(1);
        singleLinkedList.del(4);
        singleLinkedList.del(2);
        singleLinkedList.del(3);
        System.out.println("删除后的链表情况~~");
        singleLinkedList.list();


    }
}
//定义SingleLinkedList 管理我们的英雄
class SingleLinkedList{
    //先初始化一个头节点,头节点不能动,不存放具体的数据
    private HeroNode head = new HeroNode(0,"","");

    //添加节点到单向链表
    //思路，当不考虑编号顺序时
    //1.找到当前链表的最后节点
    //2.将最后这个节点的next指向新的节点
    public void add(HeroNode heroNode){
        //因为head节点不能动,因此我们需要一个辅助变量temp
        HeroNode 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，将temp后移
            temp = temp.next;
        }
        //当退出循环时，temp就指向了链表的最后
        //将最后的这个节点的next 指向新的节点
        temp.next = heroNode;
    }
    // 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
    //(如果有这个排名，则添加失败，并给出提示)
    public void addByOrder(HeroNode heroNode){
        //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
        //因为单链表，找到的temp是位于 添加位置的前一个节点，否则插入不了
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false;//flag标志添加的编号是否存在，默认为false
        while (true){
            if (temp.next == null){//说明temp已经在链表的最后
                break;
            }
            if (temp.next.no > heroNode.no){//位置找到，就在temp的后面
                break;
            }else if (temp.next.no == heroNode.no){//说明希望添加的heroNode的编号已然存在
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;//后移，遍历当前链表
        }
        //判断flag的值
        if (flag){//不能添加，说明编号存在
            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);
        }else{
            //插入到链表中，temp的后面
            heroNode.next = temp.next;
            temp.next = heroNode;
        }

    }
    //修改节点的信息，根据no编号来修改，即no编号不能改
    //说明
    //1.根据newHeroNode的no来修改即可
    public void update(HeroNode newHeroNode){
        //判断是否为空
        if (head.next == null){//链表的有效节点并不包括头指针，头指针通常用head定义，他只是指向第一个有效结点；无论链表是否为空，头指针都不为空；头指针并不存放有效数据！
            System.out.println("链表为空~");
            return;
        }
        //找到需要修改的节点，根据no编号
        //先定义一个辅助变量
        HeroNode temp = head.next;
        boolean flag = false;//表示是否找到节点
        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是否找到要修改的节点
        if (flag){
                temp.name = newHeroNode.name;
                temp.nickname = newHeroNode.nickname;
        }else {
            System.out.printf("没有找到编号%d的节点，不能修改\n",newHeroNode.no);
        }

    }
    //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
        HeroNode temp = head.next;
        while (true){
            //判断是否到链表最后
            if (temp == null){
                break;
            }
            //输出节点信息
            System.out.println(temp);
            //将temp后移，一定小心
            temp = temp.next;

        }
    }
    //删除节点
    //思路
    //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
    //2.说明我们在比较时，是temp.next.no和需要删除的节点的no的比较
    public void del(int no){
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false;//标志是否找到待删除节点的
        while (true){
            if (temp.next == null){
                break;
            }
            if (temp.next.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;
        }else{
            System.out.printf("要删除的%d 节点不存在\n",no);
        }
    }
}
//定义HeroNode，每个HeroNode对象就是一个节点
class HeroNode {
    public int no;
    public String name;//名字
    public String nickname;//昵称
    public HeroNode next;//指向下一个节点

    //构造器
    public HeroNode(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 + '\'' +
                '}';
    }
}

4.3单链表面试题(新浪、百度、腾讯)

单链表的常见面试题有如下:

1. 求单链表中有效节点的个数

//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)
/**
*
* @param head 链表的头节点
* @return 返回的就是有效节点的个数
*/
public static int getLength(HeroNode head) {
    if(head.next == null) { //空链表
        return 0;
    }
    int length = 0;
    //定义一个辅助的变量, 这里我们没有统计头节点
    HeroNode cur = head.next;
    while(cur != null) {
        length++;
        cur = cur.next; //遍历
    }
    return length;
}

2. 查找单链表中的倒数第 k 个结点 【新浪面试题】

//查找单链表中的倒数第 k 个结点 【新浪面试题】
//思路
//1. 编写一个方法，接收 head 节点，同时接收一个 index
//2. index 表示是倒数第 index 个节点
//3. 先把链表从头到尾遍历，得到链表的总的长度 getLength
//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
//5. 如果找到了，则返回该节点，否则返回 nulll
public static HeroNode findLastIndexNode(HeroNode head, int index) {
	//判断如果链表为空，返回 null
	if(head.next == null) {
		return null;//没有找到
	}
	//第一个遍历得到链表的长度(节点个数)
	int size = getLength(head);
	//第二次遍历 size-index 位置，就是我们倒数的第 K 个节点
	//先做一个 index 的校验
	if(index <=0 || index > size) {
		return null;
	}
	//定义一个辅助变量， for 循环定位到倒数的 index
	HeroNode cur = head.next; //3 // 3 - 1 = 2
	for(int i =0; i< size - index; i++) {
		cur = cur.next;
	}
	return cur;
}

3. 单链表的反转【腾讯面试题，有点难度】

思路分析图解

思路：

//将单链表反转
    public static void reversetList(HeroNode head) {
        //如果当前链表为空，或者只有一个节点，无需反转，直接返回
        if(head.next == null || head.next.next == null) {
        	return ;
    	}
        //定义一个辅助的指针(变量)，帮助我们遍历原来的链表
        HeroNode cur = head.next;
        HeroNode next = null;//指向当前节点的下一个节点。
        HeroNode reverseHead = new HeroNode(0, "", "");
        //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
        //动脑筋
        while(cur != null) {
            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
            cur.next = reverseHead.next;//将 cur 的下一个节点指向新的链表的最前端
            reverseHead.next = cur; //将 cur 连接到新的链表上
            cur = next;//让 cur 后移
        }
        //将 head.next 指向 reverseHead.next , 实现单链表的反转
        head.next = reverseHead.next;
    }

4. 从尾到头打印单链表 【百度，要求方式 1：反向遍历 。 方式 2：Stack 栈】

思路分析图解

代码实现

写了一个小程序，测试 Stack 的使用

package com.atguigu.linkedlist;
import java.util.Stack;
//演示栈 Stack 的基本使用
public class TestStack {
    public static void main(String[] args) {
    Stack<String> stack = new Stack();
        // 入栈
        stack.add("jack");
        stack.add("tom");
        stack.add("smith");
        // 出栈
        // smith, tom , jack
        while (stack.size() > 0) {
        	System.out.println(stack.pop());//pop 就是将栈顶的数据取出
        }
    }
}

单链表的逆序打印代码:

//方式2：
	//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
	public static void reversePrint(HeroNode head) {
		if(head.next == null) {
			return;//空链表，不能打印
		}
		//创建要给一个栈，将各个节点压入栈
		Stack<HeroNode> stack = new Stack<HeroNode>();
		HeroNode cur = head.next;
		//将链表的所有节点压入栈
		while(cur != null) {
			stack.push(cur);
			cur = cur.next; //cur后移，这样就可以压入下一个节点
		}
		//将栈中的节点进行打印,pop 出栈
		while (stack.size() > 0) {
			System.out.println(stack.pop()); //stack的特点是先进后出
		}
	}
	

4.4 双向链表应用实例

4.4.1双向链表的操作分析和实现

使用带 head 头的双向链表实现 –水浒英雄排行榜

管理单向链表的缺点分析:

1. 单向链表，查找的方向只能是一个方向，而双向链表可以向前或者向后查找。

2. 单向链表不能自我删除，需要靠辅助节点 ，而双向链表，则可以自我删除，所以前面我们单链表删除 时节点，总是找到 temp,temp 是待删除节点的前一个节点(认真体会).

3. 分析了双向链表如何完成遍历，添加，修改和删除的思路

双向链表的代码实现

package linkedlist;

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);
        }
    }
    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;
            // 这里我们的代码有问题?
            // 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HeroNode ， 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 + "]";
    }

}

4.4.2课堂作业和思路提示

双向链表的第二种添加方式,按照编号顺序 [示意图]按照单链表的顺序添加，稍作修改即可.

public void addByOrder(HeroNode2 heroNode) {
        HeroNode2 temp = head;
        boolean flag = false;
        while (true) {
            //判断为空，需要提前判断，否则会发生空指针异常 ,到链表结尾了,说明没有合适插入位置
            if (temp.next == null) {//说明temp已经在链表的最后 或者 是空链表
                break;
            }
            if (temp.next.no > heroNode.no) {//找到前一个位置
                break;
            } else if (temp.next.no == heroNode.no) {  //已经存在
                flag = true;
                break;
            } else
                temp = temp.next;
        }
        if (flag) {
            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);
        } else {
            //插入需要四步
            //插入的结点在链表中间
            if(temp.next != null) {
                heroNode.next = temp.next;
                temp.next.pre = heroNode;
                heroNode.pre = temp;
                temp.next = heroNode;
            }else{
                //在链表末  temp.next.pre = heroNode;会发生指针异常，需要单独讨论
                heroNode.pre = temp;
                temp.next = heroNode;
            }
        }
    }

4.5 单向环形链表应用场景

4.6 单向环形链表介绍

4.7 Josephu 问题

约瑟夫问题的示意图

Josepfu(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。

提示:

用一个不带头结点的循环链表来处理 Josephu 问题：先构成一个有 n 个结点的单循环链表，然后由 k 结 点起从 1 开始计数，计到 m 时，对应结点从链表中删除，然后再从被删除结点的下一个结点又从 1 开始计数，直 到最后一个结点从链表中删除算法结束。

约瑟夫问题-小孩出圈的思路分析图

4.8 Josephu 问题的代码实现

package linkedlist;

public class Josepfu {
    public static void main(String[] args) {
        //测试一把构建环形链表，和遍历是否成功
        CircleSingleLinkedList circleSingleLinkedList = new CircleSingleLinkedList();
        circleSingleLinkedList.addBoy(5);//加入5个小孩节点
        circleSingleLinkedList.showBoy();
        //测试一把小孩出圈是否正确
        circleSingleLinkedList.countBoy(1, 2, 5); // 2->4->1->5->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，构建一个环形链表
    public void addBoy(int nums){
        //nums做一个数据校验
        if(nums < 1){
            System.out.println("num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);//最后一个跟新节点相连
                boy.setNext(first);//跟头相连
                curBoy = boy;//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());
    }

    //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
        }
    }
}
//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
    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;
    }
}