数据结构 双链表与LinkedList
本节目标：
- 认识并且能够实现一个双链表
- 认识LinkedList类并且知道如何去使用
1.双链表
概念
在数据结构中，双链表（Doubly Linked List） 是一种常见的线性数据结构，它由一系列节点组成，每个节点不仅包含数据域，还包含两个指针域，分别指向其前驱节点（前一个节点） 和后继节点（后一个节点）。这种结构相比单链表（仅含后继指针），在节点访问和操作上更加灵活，可以表示成这样：
相较于单链表，双链表多了一个前驱节点prev，它储存的是这个节点的前一个节点的地址，即它指向这个节点的前一个节点。
实现双链表
在上一节中，我们已经实现不带头不循环的单链表了，那么这里实现的是不带头不循环的双链表。以下是这个双链表包含的一些操作方法：
// 不带头双向链表实现
public class MyLinkedList {
//头插法
public void addFirst(int data){ }
//尾插法
public void addLast(int data){}
//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
public void addIndex(int index,int data){}
//判断双链表当中是否有包含key节点
public boolean contains(int key){
return false;
}
//删除第一次出现关键字为key的节点
public void remove(int key){}
//删除所有值为key的节点
public void removeAllKey(int key){}
//得到双链表的长度
public int size(){
return -1;
}
//打印双链表中的数据
public void display(){}
//清空双链表
public void clear(){}
在实现这些操作之前，先创建节点类 ListNode：
public class ListNode {public int val;public ListNode prev;public ListNode next;public ListNode(int val) {this.val = val;}
}
还是老规矩，实现顺序由简到繁。
(1) 打印双链表中的数据
要求：将双链表中的数据一个个打印出来。
思路：实现方式与单链表的打印一样，通过遍历的方式，一个个去打印。
public class MyLinkedList {ListNode head;ListNode last;//打印双链表中的数据public void display() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {System.out.print(cur.val + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}
}
因为双链表中前驱结点指向该节点的前一个节点，因此它能够从后往前访问，所以用 last
来表示双链表的尾节点。
(2) 得到双链表的长度
要求：通过这个方法获得双链表的长度。
思路：定义一个变量用于计数，通过遍历的方式进行计数，最后返回这个变量。
//得到双链表的长度public int size() {ListNode cur = this.head;int size = 0; while (cur != null) {size++;cur = cur.next;}return size;}(3) 判断双链表当中是否有包含key节点
要求：判断双链表中是否有包含key的节点，如果有就返回true，否则返回false。
思路：依旧通过遍历的方式去一个个判断。
//判断双链表当中是否有包含key节点public boolean contains(int key){ListNode cur = this.head;while (cur != null) {if (cur.val == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}(4) 头插法
要求：在双链表的头部位置插入一个新节点。
思路：这里与单链表不一样，需要考虑两种情况：1.插入前链表是空的；2.插入前链表不为空。
即下图所示：
//头插法public void addFirst(int data){ ListNode cur = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = this.last = cur;}else {cur.next = this.head;this.head.prev = cur;this.head = cur;}}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addFirst(1);myLinkedList.addFirst(2);myLinkedList.addFirst(3);myLinkedList.display();}
}//运行结果
3 2 1 符合预期。
(5) 尾插法
要求：在双链表的尾部插入一个新节点。
思路：这里也分两种情况，与头插法一样。需要注意的是，在链表不为空的情况下，我们应该对尾节点last进行操作，而不是头节点head。
//尾插法public void addLast(int data){ListNode cur = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = this.last = cur;}else {this.last.next = cur;cur.prev = this.last;this.last = cur;}}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(3);myLinkedList.display();}
}//运行结果
1 2 3 符合预期。
(6) 任意位置插入,第一个数据节点为0号下标
要求：在双链表中合法的任一位置插入一个新节点，第一个节点为0号下标。
思路：可以分3种情况处理：头插、尾插和中间插入。头插与尾插已经解决了，因此现在只需要解决中间插入即可。如下图所示：
当然，在进行插入操作前，需要判断插入位置是否合法。
插入位置非法异常类：
public class InsertIllegalException extends RuntimeException {public InsertIllegalException() {}public InsertIllegalException(String str) {super(str);}
}
判断插入位置是否合法：
//判断插入位置是否合法private void isIllegal(int index) {if (index < 0 || index > size()) {throw new InsertIllegalException("插入位置不合法！");}}插入操作：
//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标public void addIndex(int index,int data){try {isIllegal(index);int len = size();//头插if (index == 0) {addFirst(data);return;}//尾插if (index == len) {addLast(data);return;}//中间插入ListNode newN = new ListNode(data);ListNode cur = this.head;while (index != 0) {cur = cur.next;index--;}newN.next = cur;cur.prev.next = newN;newN.prev = cur.prev;cur.prev = newN;}catch (InsertIllegalException e) {e.printStackTrace();}}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(3);myLinkedList.display();myLinkedList.addIndex(1,100);myLinkedList.display();}
}//运行结果
1 2 3
1 100 2 3 符合预期。
(7) 删除第一次出现关键字为key的节点
要求：将双链表中第一次出现包含key的节点删掉。
思路：这里要分为三种情况：key在链表头部、key在链表尾部和key在链表中间，但在开始前需要判断链表是否为空。分析如下图所示：
//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key){if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;this.head.prev = null;}else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;}else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}//删除完成！return;}cur = cur.next;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}但是这里还有一个不足的地方，就是当链表中仅有一个节点时（即head == last且该节点的值为key），这时候 head.prev就会引发空指针异常，所以要对key在头节点的情况进行补充处理：
//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key){if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;//当删除后链表不为空，即链表不仅仅有一个节点if (this.head != null) {this.head.prev = null;}else {//删除后链表为空，即链表仅有一个节点，这里更新尾节点lastthis.last = null;}}else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;}else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}//删除完成！return;}cur = cur.next;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(3);myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.display();myLinkedList.remove(1);myLinkedList.display();}
}//运行结果：
1 2 3 1
2 3 1 符合预期。
(8) 删除所有值为key的节点
要求：将链表中所有值为key的节点都删掉。
思路：只需要在删除第一次出现关键字为key的节点的方法的基础上进行修改即可，把return去掉，使得循环继续进行，继续找key的节点，继续删除，直到遍历结束，此时已将所有值为key的节点删除。
//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key) {if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;//当删除后链表不为空，即链表不仅仅有一个节点if (this.head != null) {this.head.prev = null;} else {//删除后链表为空，即链表仅有一个节点，这里更新尾节点lastthis.last = null;}} else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;} else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}}cur = cur.next;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}不过这里可能会有一个潜在的问题，就是当我们删除某一个节点，cur指向的节点已经被移除，此时执行cur = cur.next可能会出现问题。举个例子：
现在有一个双链表：
2 <-> 3 <-> 2 <-> 4
现在要删掉所有的2
1.首先，cur指向第一个2，删除后head变为3节点；
2.接着执行cur = cur.next时，此时的cur仍然指向已经被删除的第一个 2 节点；
3.这个节点的
next虽然可能还指向 3，但这是不安全的（已删除节点的引用应该被视为无效）
因此出于安全考虑，可以用一个变量记录cur的=指向的下一个节点。
//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key) {if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {ListNode curN = cur.next;//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;//当删除后链表不为空，即链表不仅仅有一个节点if (this.head != null) {this.head.prev = null;} else {//删除后链表为空，即链表仅有一个节点，这里更新尾节点lastthis.last = null;}} else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;} else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}}cur = curN;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(3);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.display();myLinkedList.removeAllKey(2);myLinkedList.display();}
}//运行结果：
2 1 2 3 2
1 3 符合预期。
(9) 清空双链表
要求：将双链表清空。
思路：粗暴的方式就不介绍了（直接将head和last置空），温柔的方式：通过遍历，一个个将节点的prev和next置空，最后将head和last置空。
//清空双链表public void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curN = cur.next;cur.prev = null;cur.next = null;cur = curN;}this.head = null;this.last = null;}进行测试：
public class Test {public static void main(String[] args) {MyLinkedList myLinkedList = new MyLinkedList();myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(1);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.addLast(3);myLinkedList.addLast(2);myLinkedList.display();myLinkedList.clear();myLinkedList.display();}
}//运行结果：
2 1 2 3 2 符合预期。
到此，我们就成功实现了一个不带头不循环的双链表。
完整代码
public class MyLinkedList {ListNode head;ListNode last;//打印双链表中的数据public void display() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {System.out.print(cur.val + " ");cur = cur.next;}System.out.println();}//得到双链表的长度public int size() {ListNode cur = this.head;int size = 0;while (cur != null) {size++;cur = cur.next;}return size;}//判断双链表当中是否有包含key节点public boolean contains(int key){ListNode cur = this.head;while (cur != null) {if (cur.val == key) {return true;}cur = cur.next;}return false;}//头插法public void addFirst(int data){ListNode cur = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = this.last = cur;}else {cur.next = this.head;this.head.prev = cur;this.head = cur;}}//尾插法public void addLast(int data){ListNode cur = new ListNode(data);if (this.head == null) {this.head = this.last = cur;}else {this.last.next = cur;cur.prev = this.last;this.last = cur;}}//判断插入位置是否合法private void isIllegal(int index) {if (index < 0 || index > size()) {throw new InsertIllegalException("插入位置不合法！");}}//任意位置插入,第一个数据节点为0号下标public void addIndex(int index,int data){try {isIllegal(index);int len = size();//头插if (index == 0) {addFirst(data);return;}//尾插if (index == len) {addLast(data);return;}//中间插入ListNode newN = new ListNode(data);ListNode cur = this.head;while (index != 0) {cur = cur.next;index--;}newN.next = cur;cur.prev.next = newN;newN.prev = cur.prev;cur.prev = newN;}catch (InsertIllegalException e) {e.printStackTrace();}}//删除第一次出现关键字为key的节点public void remove(int key){if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;//当删除后链表不为空，即链表不仅仅有一个节点if (this.head != null) {this.head.prev = null;}else {//删除后链表为空，即链表仅有一个节点，这里更新尾节点lastthis.last = null;}}else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;}else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}//删除完成！return;}cur = cur.next;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}//删除所有值为key的节点public void removeAllKey(int key) {if (this.head == null) {System.out.println("链表为空！");return;}ListNode cur = this.head;boolean mark = false; //用于标记链表中是否有key，有的话置为truewhile (cur != null) {ListNode curN = cur.next;//先找keyif (cur.val == key) {mark = true;//当cur位于头节点if (cur == this.head) {this.head = this.head.next;//当删除后链表不为空，即链表不仅仅有一个节点if (this.head != null) {this.head.prev = null;} else {//删除后链表为空，即链表仅有一个节点，这里更新尾节点lastthis.last = null;}} else {//位于中间或者尾节点cur.prev.next = cur.next;//位于尾节点if (cur.next == null) {this.last = this.last.prev;} else {//位于中间cur.next.prev = cur.prev;}}}cur = curN;}if (mark == false) {System.out.println("链表中没有" + key);}}//清空双链表public void clear() {ListNode cur = this.head;while (cur != null) {ListNode curN = cur.next;cur.prev = null;cur.next = null;cur = curN;}this.head = null;this.last = null;}
}
2.LinkedList
2.1 概念
LinkedList的底层是双向链表结构，由于链表没有将元素存储在连续的空间中，元素存储在单独的节点中，然后通过引用将节点连接起来了，因此在在任意位置插入或者删除元素时，不需要搬移元素，效率比较高。
在集合框架中，LinkedList也实现了List接口，具体如下：
【说明】
- LinkedList实现了List接口
- LinkedList的底层使用了双向链表
- LinkedList没有实现RandomAccess接口，因此LinkedList不支持随机访问
- LinkedList的任意位置插入和删除元素时效率比较高，时间复杂度为O(1)
- LinkedList比较适合任意位置插入的场景
2.2 使用
构造方法
LinkedList的构造方法：
| 方法 | 解释 |
|---|---|
| LinkedList() | 无参构造 |
| public LinkedList(Collection <? extends E> c) | 使用其他集合容器中元素构造List |
举例：
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;public class Test {public static void main(String[] args) {//使用第一种构造方法，构造一个空的LinkedListLinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();//List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();这种写法等于上一条语句，//因此LinkedList实现了List接口，因此可以用List去接收//可以插入数据linkedList.addFirst(1);linkedList.addFirst(2);linkedList.addFirst(3);System.out.println(linkedList);System.out.println("=============");//使用第二种构造方法List<Integer> list = new ArrayList<>(); //创建一个ArrayList，并往里面插入一些数据list.add(1);list.add(2);list.add(3);System.out.println(list);System.out.println("=============");//可以ArrayList构造LinkedListList<Integer> list1 = new LinkedList<>(list);System.out.println(list1);}
}//运行结果：
[3, 2, 1]
=============
[1, 2, 3]
=============
[1, 2, 3]其他常用方法
| 方法 | 解释 |
|---|---|
| boolean add(E e) | 尾插 e |
| void add(int index, E element) | 将 e 插入到 index 位置 |
| boolean addAll(Collection <? extends E> c) | 尾插 c 中的元素 |
| E remove(int index) | 删除 index 位置元素 |
| boolean remove(Object o) | 删除遇到的第一个 o |
| E get(int index) | 获取下标 index 位置元素 |
| E set(int index, E element) | 将下标 index 位置元素设置为 element |
| void clear() | 清空 |
| boolean contains(Object o) | 判断 o 是否在线性表中 |
| int indexOf(Object o) | 返回第一个 o 所在下标 |
| int lastIndexOf(Object o) | 返回最后一个 o 的下标 |
| List subList(int fromIndex, int toIndex) | 截取部分 list |
LinkedList的遍历
LinkedList的遍历与ArrayList的遍历一样，有三种方法，分别是通过for遍历、通过for-each遍历和通过迭代器遍历。具体请看：
数据结构 ArrayList与顺序表-CSDN博客
2.3 ArrayList与LinkedList的区别
| 不同点 | ArrayList | LinkedList |
|---|---|---|
| 存储空间上 | 物理上一定连续 | 逻辑上连续，但物理上不一定连续 |
| 随机访问 | 支持：O(1) | 不支持：O(N) |
| 头插 | 需要搬移元素，效率低O(N) | 只需修改引用的指向，时间复杂度为O(1) |
| 插入 | 空间不够时需要扩容 | 没有容量的概念 |
| 应用场景 | 元素高效存储+频繁访问 | 任意位置插入和删除频繁 |
到此，双链表与LinkedList的内容完结。感谢您的观看，如有不对的地方还请指出，谢谢！