数据结构 - 链表

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简介

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链表是一种和数组不同的线性表结构，数组的存储使用了一组连续的内存空间，而链表通过链接的方式将零散的内存空间串联起来使用。

链表的定义需要注意两点：链表仍然是一个线性表结构；链表不使用连续的内存空间进行存储。

因此，链表克服了数组需要预先知道数据大小的缺点，并且能充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。

但链表也失去了快速随机存取的优点，同时由于增加了结点的指针域，空间开销较大。

基本概念

链表是通过指针将零散的内存块串联在一起的，这里的内存块被称为链表的结点。

结点除了存储数据之外，还会存储下一个结点的地址，这个记录下一个结点地址的指针被称为后继指针。在双向链表中，还会存储上一个结点的地址，这个记录上一个结点地址的指针被称为前驱指针。

链表中存在两个比较特殊的结点，分别是第一个结点和最后一个结点。因此也给这两个结点取了名称，第一个结点被称为头结点，最后一个结点被称为尾结点。

随机存储

把链表和数组作比较，数组具有快速随机存取的优点，而链表是随机存取效率非常低的数据结构。

如果通过下标去访问链表中的结点，是不能使用寻址公式的，只能通过头结点作为入口，根据指针一个结点一个结点地依次遍历，直到找到对应的结点。

综合计算下来，链表做随机访问的时间复杂度为 O(n)O(n)O(n)，效率比数组低得多。

插入、删除

虽然链表没有了数组随机存取的优点，但在插入、删除结点的时候，效率比数组高很多。

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假设，要在链表中插入一个结点，在知道插入位置的前后两个相邻结点的前提下，只需将新结点的后继指针指向下一个结点，然后将上一个结点的后继指针指向这个新结点，即可完成插入结点的操作。删除结点也是类似的操作，非常方便。

但是，插入、删除结点时效率高的前提是知道操作位置的相邻结点，否则仍需要从头结点开始寻找到对应位置，这样的效率会非常低。

五花八门的链表

链表有很多不同的类型，在上面说的都是最简单的单向链表，复杂一点的还有双向链表、循环链表。

单向链表

单向链表是最简单的链表结构，它包含两个域，一个信息域和一个指针域。

信息域存储实际的数据，指针域存储此结点的下一个结点位置。

在实际编码中，为了方便，头结点的信息域是空的，其指针域存储实际的第一个结点所在位置，尾结点的指针域一般会是 NULL 地址。

双向链表

双向链表是在单向链表的基础上多增加了一个指针域，这个新增加的指针域会存储上一个结点所在位置。

也就是说，在双向链表中，除头结点的任意结点都可以访问到上一个结点，因此称为双向链表。

循环链表

循环链表是一个头结点和尾结点连接在一起的特殊链表，通过单向链表或双向链表都能够实现。

循环链表的优点就是从链表的尾结点到头结点非常方便，也方便处理具有环形结构特点的数据，如约瑟夫问题。

使用上的问题

数组和链表如何选择

仅特性和效率而言，数组拥有快速随机访问的特性，链表可以快速插入、删除。经常利用下标访问元素可以使用数组，经常插入、删除元素可以使用链表。

但是，不能仅仅只用复杂度分析决定使用哪种数据结构。数组简单易用，而且能够借助 CPU 缓存机制预读数组中的数据；而链表在内存中不是连续存储的，对 CPU 缓存不友好，没办法有效预读。

数组的缺点是数据大小固定，而且一经声明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。即使是在 Java 中使用可以动态扩容的 ArrayList 类型，也存在扩容耗时的问题。而链表本身没有大小的限制，天生支持动态扩容。

实现链表的技巧

编写一个正确的链表是比较难的，但是其中也有一些技巧：

• 理解指针或引用的含义。将某个变量赋值给指针，实际上就是将这个变量的地址赋值给指针，或者反过来说，指针中存储了这个变量的内存地址，这个内存地址存储这个变量，通过指针能找到这个变量

• 警惕指针丢失。插入结点时，先将插入结点的后继指针指向下一个结点，再把前一个结点的指针指向插入结点，这样才不会丢失指针

• 避免内存泄漏。删除结点时，要记得手动释放内存空间

• 利用哨兵简化实现难度。在实际开发当中，如果向空链表中插入第一个结点的时候，还需要判断链表中是否已经存在头结点，嵌入代码比较严重；但是，如果增加一个哨兵结点，哨兵结点的后继指针指向头结点，则可以省略这一步操作

• 重点留意边界条件处理。当链表为空的时候，代码是否能正常工作？当链表只有一个结点的时候，代码是否能正常工作等等

• 举例画图，辅助思考。链表的指针指向会比较复杂，这种情况可以通过举例画图的办法将各种情况列举出来，这样思路会更加清晰

• 多写多练，熟能生巧。写链表代码是非常考验逻辑思维能力的，多多尝试练习可以提高逻辑思维能力

  • 简介

• 基本概念

• 随机存储

• 插入、删除

• 五花八门的链表

• 单向链表

• 双向链表

• 循环链表

• 使用上的问题

• 数组和链表如何选择

• 实现链表的技巧

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