[数据结构与算法 05] 链表 Linked list

参考：https://time.geekbang.org/column/article/40036

 

LRU 缓存淘汰算法 -------- 一个经典的链表应用场景

• 缓存

是一种提高数据读取性能的技术，在硬件设计、软件开发中都有着非常广泛的应用

比如常见的 CPU 缓存、数据库缓存、浏览器缓存等等

• 缓存淘汰策略

缓存的大小有限，当缓存被用满时，来决定哪些数据应该被清理出去，哪些数据应该被保留

常见的策略有三种：

• 先进先出策略 FIFO（First In，First Out）
• 最少使用策略 LFU（Least Frequently Used）
• 最近最少使用策略 LRU（Least Recently Used）

类比 

书太多了，太占书房空间了，你要做个大扫除，扔掉一些书籍。

那这个时候，你会选择扔掉哪些书呢

• 最先买的书，扔掉
• 最少看到书，扔掉
• 最近最少看的书，扔掉

最常见的链表结构

• 单链表
• 双向链表
• 循环链表

数组和链表的区别

1) 从底层的存储结构上来看

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

如果我们申请一个 100MB 大小的数组，当内存中没有连续的、足够大的存储空间时，即便内存的剩余总可用空间大于 100MB，仍然会申请失败

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，所以如果我们申请的是 100MB 大小的链表，根本不会有问题

 

最常见的链表结构

• 单链表
• 链表 通过“指针”将一组零散的内存块串联起来使用
• 把这儿的内存块称为链表的“结点”
• 为了将所有的结点串起来，每个链表的结点除了存储数据之外，还需要记录链上的下一个结点的地址
• 把这个记录下个结点地址的指针叫作后继指针 next

两个结点是比较特殊的：

头结点：第一个结点

• 用来记录链表的基地址
• 有了头结点，我们就可以遍历得到整条链表

尾结点：最后一个结点

尾结点的 next 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

优势：

• 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)。
• 而在链表中插入或者删除一个数据，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)，因为链表的存储空间本身就不是连续的。

所以，在链表中插入和删除一个数据是非常快速的

劣势：

要想 随机访问第 k 个元素，就没有数组那么高效

• 因为链表中的数据并非连续存储的，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

可以把链表想象成一个队伍，队伍中的每个人都只知道自己后面的人是谁，所以当我们希望知道排在第 k 位的人是谁的时候，我们就需要从第一个人开始，一个一个地往下数。

所以，链表随机访问的性能没有数组好，需要 O(n) 的时间复杂度

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• 双向链表
• 循环链表

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