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单链表的基本原理与实现

news 2025/9/2 8:08:16

什么是单链表

单链表由一系列节点组成，每个节点包含数据和指向下一个节点的引用。与数组的连续存储不同，单链表的节点可分散在内存中，通过指针连接形成链式结构。以下是单链表节点的典型定义：

Java 示例：

/*** 单链表节点定义* @param <E> 节点数据类型*/
public class ListNode<E> {/** 节点存储的数据 */E data;/** 指向下一个节点的引用 */ListNode<E> next;/*** 构造函数* @param data 节点数据*/public ListNode(E data) {this.data = data;this.next = null;}/*** 带后继节点的构造函数* @param data 节点数据* @param next 后继节点*/public ListNode(E data, ListNode<E> next) {this.data = data;this.next = next;}
}

C# 示例：

/// <summary>
/// 单链表节点定义
/// </summary>
/// <typeparam name="T">节点数据类型</typeparam>
public class ListNode<T>
{/// <summary>/// 节点存储的数据/// </summary>public T Data { get; set; }/// <summary>/// 指向下一个节点的引用/// </summary>public ListNode<T> Next { get; set; }/// <summary>/// 构造函数/// </summary>/// <param name="data">节点数据</param>public ListNode(T data){Data = data;Next = null;}/// <summary>/// 带后继节点的构造函数/// </summary>/// <param name="data">节点数据</param>/// <param name="next">后继节点</param>public ListNode(T data, ListNode<T> next){Data = data;Next = next;}
}

链表的优势与局限性

优势：

内存利用效率高：节点无需连续存储，可动态分配，适应零散内存。
无需扩缩容：增删节点只需调整指针，无需数据搬移，理论上容量无限。

局限性：

不支持随机访问：访问第 n 个节点需从头遍历，时间复杂度为 O(n)。

相比之下，数组通过连续内存实现 O(1) 的随机访问，但增删操作可能触发数据搬移和扩缩容（O(n)）。

单链表的基本操作

首先实现创建链表的辅助方法，便于后续操作演示：

Java 示例：

/*** 根据数组创建单链表* @param array 源数据数组* @param <T> 数据类型* @return 链表头节点*/
public static <T> ListNode<T> createLinkedList(T[] array) {if (array == null || array.length == 0) {return null;}ListNode<T> head = new ListNode<>(array[0]);ListNode<T> current = head;for (int i = 1; i < array.length; i++) {current.next = new ListNode<>(array[i]);current = current.next;}return head;
}

C# 示例：

/// <summary>
/// 根据数组创建单链表
/// </summary>
/// <typeparam name="T">数据类型</typeparam>
/// <param name="array">源数据数组</param>
/// <returns>链表头节点</returns>
public static ListNode<T> CreateLinkedList<T>(T[] array)
{if (array == null || array.Length == 0){return null;}var head = new ListNode<T>(array[0]);var current = head;for (int i = 1; i < array.Length; i++){current.Next = new ListNode<T>(array[i]);current = current.Next;}return head;
}

查与改

遍历与查找

遍历单链表需从头节点开始，沿 next 指针访问：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
for (ListNode p = head; p != null; p = p.next) {System.out.println(p.val);
}

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
for (ListNode p = head; p != null; p = p.next) {Console.WriteLine(p.val);
}

查找或修改特定索引的节点需从头遍历，时间复杂度为 O(n)。

增

头部插入

将新节点插入链表头部，更新头指针：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode newNode = new ListNode(0);
newNode.next = head;
head = newNode; // 链表变为 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode newNode = new ListNode(0);
newNode.next = head;
head = newNode; // 链表变为 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5

时间复杂度：O(1)。

尾部插入

遍历至尾节点，添加新节点：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
while (p.next != null) {p = p.next;
}
p.next = new ListNode(6); // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
while (p.next != null) {p = p.next;
}
p.next = new ListNode(6); // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6

时间复杂度：O(n)，因需遍历。若持有尾节点引用，可优化为 O(1)。

中间插入

在第 k 个节点后插入，需找到前驱节点：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
for (int i = 0; i < 2; i++) {p = p.next; // 定位第 3 个节点
}
ListNode newNode = new ListNode(6);
newNode.next = p.next;
p.next = newNode; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 6 -> 4 -> 5

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
for (int i = 0; i < 2; i++) {p = p.next; // 定位第 3 个节点
}
ListNode newNode = new ListNode(6);
newNode.next = p.next;
p.next = newNode; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 6 -> 4 -> 5

时间复杂度：O(n)，因需遍历至前驱节点。

删

头部删除

将头指针移至下一节点：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
head = head.next; // 链表变为 2 -> 3 -> 4 -> 5

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
head = head.next; // 链表变为 2 -> 3 -> 4 -> 5

时间复杂度：O(1)。在 Java 和 C# 中，旧头节点无引用后会被垃圾回收，无需显式置空 next。

尾部删除

找到倒数第二个节点，置其 next 为 null：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
while (p.next.next != null) {p = p.next;
}
p.next = null; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 4

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
while (p.next.next != null) {p = p.next;
}
p.next = null; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 4

时间复杂度：O(n)。

中间删除

删除第 k 个节点，需调整前驱节点的指针：

Java 示例：

ListNode head = createLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
for (int i = 0; i < 2; i++) {p = p.next; // 定位第 3 个节点
}
p.next = p.next.next; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 5

C# 示例：

ListNode head = CreateLinkedList(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
ListNode p = head;
for (int i = 0; i < 2; i++) {p = p.next; // 定位第 3 个节点
}
p.next = p.next.next; // 链表变为 1 -> 2 -> 3 -> 5

时间复杂度：O(n)。