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数据结构单向链表的插入和删除(一)

news 2024/10/22 9:26:19

链表

    • 一、链表结构： （物理存储结构上不连续，逻辑上连续；大小不固定）
    • 二、单链表：
    • 三、单项链表的代码实现：
    • 四、开发可用的链表：
    • 四、单链表的效率分析：

一、链表结构： （物理存储结构上不连续，逻辑上连续；大小不固定）

概念：

链式存储结构是基于指针实现的。我们把一个数据元素和一个指针称为结点。

数据域：存数数据元素信息的域。

指针域：存储直接后继位置的域。

链式存储结构是用指针把相互直接关联的结点（即直接前驱结点或直接后继结点）链接起来。链式存储结构的线性表称为链表。

链表类型：

根据链表的构造方式的不同可以分为：

  • 单向链表
  • 单向循环链表
  • 双向循环链表

二、单链表：

概念：

链表的每个结点中只包含一个指针域，叫做单链表（即构成链表的每个结点只有一个指向直接后继结点的指针）

单链表中每个结点的结构：
在这里插入图片描述
1、头指针和头结点：
单链表有带头结点结构和不带头结点结构两种：
链表中第一个结点的存储位置叫做头指针”，如果链表有头结点，那么头指针就是指向头结点的指针。

头指针所指的不存放数据元素的第一个结点称作头结点（头结点指向首元结点）。头结点的数据域一般不放数据（当然有些情况下也可存放链表的长度、用做监视哨等）

存放第一个数据元素的结点称作第一个数据元素结点，或称首元结点。
如下图所示：
在这里插入图片描述
不带头结点的单链表如下：
在这里插入图片描述
带头结点的单链表如下图：
在这里插入图片描述
2、不带头结点的单链表的插入操作：
在这里插入图片描述
上图中，是不带头结点的单链表的插入操作。如果我们在非第一个结点前进行插入操作，只需要a(i-1)的指针域指向s，然后将s的指针域指向a(i)就行了；如果我们在第一个结点前进行插入操作，头指针head就要等于新插入结点s，这和在非第一个数据元素结点前插入结点时的情况不同。另外，还有一些不同情况需要考虑。

因此，算法对这两种情况就要分别设计实现方法。
3、带头结点的单链表的插入操作：（操作统一，推荐）
在这里插入图片描述
上图中，如果采用带头结点的单链表结构，算法实现时，p指向头结点，改变的是p指针的next指针的值（改变头结点的指针域），而头指针head的值不变。

因此，算法实现方法比较简单，其操作与对其它结点的操作统一。

三、单项链表的代码实现：

1、结点类：
单链表是由一个一个结点组成的，因此，要设计单链表类，必须先设计结点类。结点类的成员变量有两个：一个是数据元素，另一个是表示下一个结点的对象引用（即指针）。
步骤如下：
（1）头结点的构造（设置指针域即可）

（2）非头结点的构造

（3）获得当前结点的指针域

（4）获得当前结点数据域的值

（5）设置当前结点的指针域

（6）设置当前结点数据域的值
注：类似于get和set方法，成员变量是数据域和指针域。
代码实现：
(1)List.java:（链表本身也是线性表，只不过物理存储上不连续）

//线性表接口
public interface List {//获得线性表长度public int size();//判断线性表是否为空public boolean isEmpty();//插入元素public void insert(int index, Object obj) throws Exception;//删除元素public void delete(int index) throws Exception;//获取指定位置的元素public Object get(int index) throws Exception;
}

(2)Node.java:结点类

//结点类
public class Node {Object element; //数据域Node next;  //指针域//头结点的构造方法public Node(Node nextval) {this.next = nextval;}//非头结点的构造方法public Node(Object obj, Node nextval) {this.element = obj;this.next = nextval;}//获得当前结点的指针域public Node getNext() {return this.next;}//获得当前结点数据域的值public Object getElement() {return this.element;}//设置当前结点的指针域public void setNext(Node nextval) {this.next = nextval;}//设置当前结点数据域的值public void setElement(Object obj) {this.element = obj;}public String toString() {return this.element.toString();}
}

2、单链表类：
单链表类的成员变量至少要有两个：一个是头指针，另一个是单链表中的数据元素个数。但是，如果再增加一个表示单链表当前结点位置的成员变量，则有些成员函数的设计将更加方便
代码实现：
LinkList.java:单向链表类(核心代码)

//单向链表类
public class LinkList implements List {Node head; //头指针Node current;//当前结点对象int size;//结点个数//初始化一个空链表public LinkList(){//初始化头结点，让头指针指向头结点。并且让当前结点对象等于头结点。this.head = current = new Node(null);this.size =0;//单向链表，初始长度为零。}//定位函数，实现当前操作对象的前一个结点，也就是让当前结点对象定位到要操作结点的前一个结点。//比如我们要在a2这个节点之前进行插入操作，那就先要把当前节点对象定位到a1这个节点，然后修改a1节点的指针域public void index(int index) throws Exception{if(index <-1 || index > size -1){throw new Exception("参数错误！");}//说明在头结点之后操作。if(index==-1)    //因为第一个数据元素结点的下标是0，那么头结点的下标自然就是-1了。return;current = head.next;int j=0;//循环变量while(current != null&&j<index){current = current.next;j++;}}@Overridepublic void delete(int index) throws Exception {// TODO Auto-generated method stub//判断链表是否为空if(isEmpty()){throw new Exception("链表为空，无法删除！");}if(index <0 ||index >size){throw new Exception("参数错误！");}index(index-1);//定位到要操作结点的前一个结点对象。current.setNext(current.next.next);size--;}@Overridepublic Object get(int index) throws Exception {// TODO Auto-generated method stubif(index <-1 || index >size-1){throw new Exception("参数非法！");}index(index);return current.getElement();}@Overridepublic void insert(int index, Object obj) throws Exception {// TODO Auto-generated method stubif(index <0 ||index >size){throw new Exception("参数错误！");}index(index-1);//定位到要操作结点的前一个结点对象。current.setNext(new Node(obj,current.next));size++;}@Overridepublic boolean isEmpty() {// TODO Auto-generated method stubreturn size==0;}@Overridepublic int size() {// TODO Auto-generated method stubreturn this.size;}}

3、测试类：（单链表的应用）
使用单链表建立一个线性表，依次输入十个0-99之间的随机数，删除第5个元素，打印输出该线性表。

(4)Test.java:

 public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception {// TODO Auto-generated method stubLinkList list = new LinkList();for (int i = 0; i < 10; i++) {int temp = ((int) (Math.random() * 100)) % 100;list.insert(i, temp);System.out.print(temp + " ");}list.delete(4);System.out.println("\n------删除第五个元素之后-------");for (int i = 0; i < list.size; i++) {System.out.print(list.get(i) + " ");}}}

运行效果：
在这里插入图片描述

四、开发可用的链表：

对于链表实现，Node类是整个操作的关键，但是首先来研究一下之前程序的问题：Node是一个单独的类，那么这样的类是可以被用户直接使用的，但是这个类由用户直接去使用，没有任何的意义，即：Node这个类有用，但是不能让用户去用，只能让LinkList类去调用，内部类Node中完成。

于是，我们需要把Node类定义为内部类，并且在Node类中去完成addNode和delNote等操作。使用内部类的最大好处是可以和外部类进行私有操作的互相访问。

注：内部类访问的特点是：内部类可以直接访问外部类的成员，包括私有；外部类要访问内部类的成员，必须先创建对象。
*1、增加数据：
public Boolean add(数据 对象)
代码实现：
*（1）LinkList.java:（核心代码）

public class LinkList {private Node root; //定义一个根节点//方法：增加节点public boolean add(String data) {if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败return false;}// 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系Node newNode = new Node(data);// 链表的关键就在于根节点if (root == null) {  //如果根节点是空的，那么新添加的节点就是根节点。(第一次调用add方法时，根节点当然是空的了)root = newNode;} else {root.addNode(newNode);}return true;}//定义一个节点内部类（假设要保存的数据类型是字符串）//比较好的做法是，将Node定义为内部类，在这里面去完成增删、等功能，然后由LinkList去调用增、删的功能class Node {private String data;private Node next;  //next表示：下一个节点对象（单链表中）public Node(String data) {this.data = data;}public void addNode(Node newNode) {//下面这段用到了递归，需要反复理解if (this.next == null) {   // 递归的出口：如果当前节点之后没有节点，说明我可以在这个节点后面添加新节点this.next = newNode;   //添加新节点} else {this.next.addNode(newNode);  //向下继续判断，直到当前节点之后没有节点为止}}}
}

代码解释：

14行：如果我们第一次调用add方法，那根结点肯定是空的，此时add的是根节点。

当继续调用add方法时，此时是往根节点后面添加数据，需要用到递归（42行），这个递归需要在内部类中去完成。递归这段代码需要去反复理解
（2）LinkListDemo.java:

public class LinkListDemo {public static void main(String[] args) {LinkList list = new LinkList();boolean flag = list.add("haha");System.out.println(flag);}}

在这里插入图片描述
2、增加多个数据：
public boolean addAll(数据 对象 [] )
上面的操作是每次增加了一个对象，那么如果现在要求增加多个对象呢，例如：增加对象数组。可以采用循环数组的方式，每次都调用add()方法。

在上面的（1）LinkList.java中加入如下代码：

//方法：增加一组数据public boolean addAll(String data[]) {     // 一组数据for (int x = 0 ; x < data.length ; x ++) {if (!this.add(data[x])) { // 只要有一次添加不成功，那就是添加失败return false ;}}return true ;}

3、统计数据个数：
public int size()
在一个链表之中，会保存多个数据（每一个数据都被封装为Node类对象），那么要想取得这些保存元素的个数，可以增加一个size()方法完成。

具体做法如下：

在上面的（1）LinkList.java中增加一个统计的属性count：

private int size ; // 统计个数

当用户每一次调用add()方法增加新数据的时候应该做出统计：（下方第18行代码）

//添加节点public boolean add(String data) {if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败return false;}// 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系Node newNode = new Node(data);// 链表的关键就在于根节点if (root == null) {  //如果根节点是空的，那么新添加的节点就是根节点。(第一次调用add方法时，根节点当然是空的了)root = newNode;} else {root.addNode(newNode);}this.size++;return true;}

而size()方法就是简单的将count这个变量的内容返回：

  //获取数据的长度public int size() {return this.size;}

4、判断是否是空链表：
public boolean isEmpty()
所谓的空链表指的是链表之中不保存任何的数据，实际上这个null可以通过两种方式判断：一种判断链表的根节点是否为null，另外一个是判断保存元素的个数是否为0。

在LinkList.java中添加如下代码：

//判断是否为空链表public boolean isEmpty() {return this.size == 0;}

5、查找数据是否存在：
public boolean contains(数据 对象)
现在如果要想查询某个数据是否存在，那么基本的操作原理：逐个盘查，盘查的具体实现还是应该交给Node类去处理，但是在盘查之前必须有一个前提：有数据存在。

在LinkList.java中添加查询的操作：

//查询数据是否存在public boolean contains(String data) {      // 查找数据// 根节点没有数据，查找的也没有数据if (this.root == null || data == null) {return false;        // 不需要进行查找了}return this.root.containsNode(data);        // 交给Node类处理}

紧接着，在Node类之中，完成具体的查询，查询的流程：
　　判断当前节点的内容是否满足于查询内容，如果满足返回true；
　　如果当前节点的内容不满足，则向后继续查，如果已经没有后续节点了，则返回false。

代码实现：

//判断节点是否存在public boolean containsNode(String data) {      // 查找数据if (data.equals(this.data)) {     // 与当前节点数据吻合return true;} else {       // 与当前节点数据不吻合if (this.next != null) {   // 还有下一个节点return this.next.containsNode(data);} else {       // 没有后续节点return false;        // 查找不到}}}

6、删除数据：
public boolean remove(数据 对象)
在LinkList.java中加入如下代码：

//方法：删除数据public boolean remove(String data) { //要删除的节点，假设每个节点的data都不一样if (!this.contains(data)) { //要删除的数据不存在return false;}if (root != null) {if (root.data.equals(data)) {  //说明根节点就是需要删除的节点root = root.next;  //让根节点的下一个节点成为根节点，自然就把根节点顶掉了嘛（不像数组那样，要将后面的数据在内存中整体挪一位）} else {  //否则root.removeNode(data);}}size--;return true;}

注意第2代码中，我们是假设删除的这个String字符串是唯一的，不然就没法删除了。

删除时，我们需要从根节点开始判断，如果根节点是需要删除的节点，那就直接删除，此时下一个节点变成了根节点。

然后，在Node类中做节点的删除：

 //删除节点public void removeNode(String data) {if (this.next != null) {if (this.next.data.equals(data)) {this.next = this.next.next;} else {this.next.removeNode(data);}}}

7、输出所有节点：
在LinkList.java中加入如下代码：

//输出所有节点public void print() {if (root != null) {System.out.print(root.data);root.printNode();System.out.println();}}

然后，在Node类中做节点的输出：

//输出所有节点public void printNode() {if (this.next != null) {System.out.print("-->" + this.next.data);this.next.printNode();}}

8、清空链表：
public void clear()
所有的链表被root拽着，这个时候如果root为null，那么后面的数据都会断开，就表示都成了垃圾：

//清空链表public void clear() {this.root = null;this.size = 0;}

总结：
上面的方法中，LinkList的完整代码如下：

/*** Created by smyhvae on 2015/8/27.*/public class LinkList {private int size;private Node root; //定义一个根节点private int foot = 0;      // 操作返回数组的脚标private String[] retData;       // 返回数组private boolean changeFlag = true;// changeFlag == true：数据被更改了，则需要重新遍历// changeFlag == false：数据没有更改，不需要重新遍历//添加数据public boolean add(String data) {if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败return false;}// 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系Node newNode = new Node(data);// 链表的关键就在于根节点if (root == null) {  //如果根节点是空的，那么新添加的节点就是根节点。(第一次调用add方法时，根节点当然是空的了)root = newNode;} else {root.addNode(newNode);}this.size++;return true;}//方法：增加一组数据public boolean addAll(String data[]) {     // 一组数据for (int x = 0; x < data.length; x++) {if (!this.add(data[x])) { // 只要有一次添加不成功，那就是添加失败return false;}}return true;}//方法：删除数据public boolean remove(String data) { //要删除的节点，假设每个节点的data都不一样if (!this.contains(data)) { //要删除的数据不存在return false;}if (root != null) {if (root.data.equals(data)) {  //说明根节点就是需要删除的节点root = root.next;  //让根节点的下一个节点成为根节点，自然就把根节点顶掉了嘛（不像数组那样，要将后面的数据在内存中整体挪一位）} else {  //否则root.removeNode(data);}}size--;return true;}//输出所有节点public void print() {if (root != null) {System.out.print(root.data);root.printNode();System.out.println();}}//方法：获取全部数据public String[] toArray() {if (this.size == 0) {return null; // 没有数据}this.foot = 0;       // 清零this.retData = new String[this.size];     // 开辟数组大小this.root.toArrayNode();return this.retData;}//获取数据的长度public int size() {return this.size;}//判断是否为空链表public boolean isEmpty() {return this.size == 0;}//清空链表public void clear() {this.root = null;this.size = 0;}//查询数据是否存在public boolean contains(String data) {      // 查找数据// 根节点没有数据，查找的也没有数据if (this.root == null || data == null) {return false;        // 不需要进行查找了}return this.root.containsNode(data);        // 交给Node类处理}//方法：根据索引取得数据public String get(int index) {if (index > this.size) {         // 超过个数return null;          // 返回null}this.foot = 0;       // 操作foot来定义脚标return this.root.getNode(index);}//定义一个节点内部类（假设要保存的数据类型是字符串）//比较好的做法是，将Node定义为内部类，在这里面去完成增删、等功能，然后由LinkList去调用增、删的功能class Node {private String data;private Node next;  //next表示：下一个节点对象（单链表中）public Node(String data) {this.data = data;}//添加节点public void addNode(Node newNode) {//下面这段用到了递归，需要反复理解if (this.next == null) {   // 递归的出口：如果当前节点之后没有节点，说明我可以在这个节点后面添加新节点this.next = newNode;   //添加新节点} else {this.next.addNode(newNode);  //向下继续判断，直到当前节点之后没有节点为止}}//判断节点是否存在public boolean containsNode(String data) {      // 查找数据if (data.equals(this.data)) {     // 与当前节点数据吻合return true;} else {       // 与当前节点数据不吻合if (this.next != null) {   // 还有下一个节点return this.next.containsNode(data);} else {       // 没有后续节点return false;        // 查找不到}}}//删除节点public void removeNode(String data) {if (this.next != null) {if (this.next.data.equals(data)) {this.next = this.next.next;} else {this.next.removeNode(data);}}}//输出所有节点public void printNode() {if (this.next != null) {System.out.print("-->" + this.next.data);this.next.printNode();}}//获取全部数据public void toArrayNode() {LinkList.this.retData[LinkList.this.foot++] = this.data;if (this.next != null) {this.next.toArrayNode();}}//根据索引位置获取数据public String getNode(int index) {if (LinkList.this.foot++ == index) {     // 当前索引为查找数值return this.data;} else {return this.next.getNode(index);}}}
}

四、单链表的效率分析：

在单链表的任何位置上插入数据元素的概率相等时，在单链表中插入一个数据元素时比较数据元素的平均次数为：

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删除单链表的一个数据元素时比较数据元素的平均次数为：

在这里插入图片描述

因此，单链表插入和删除操作的时间复杂度均为O（n）。另外，单链表读取数据元素操作的时间复杂度也为O（n）。
顺序表和单链表的比较：
顺序表：

优点：主要优点是支持随机读取，以及内存空间利用效率高；

缺点：主要缺点是需要预先给出数组的最大数据元素个数，而这通常很难准确作到。当实际的数据元素个数超过了预先给出的个数，会发生异常。另外，顺序表插入和删除操作时需要移动较多的数据元素。

单链表：

优点：主要优点是不需要预先给出数据元素的最大个数。另外，单链表插入和删除操作时不需要移动数据元素；

缺点：主要缺点是每个结点中要有一个指针，因此单链表的空间利用率略低于顺序表的。另外，单链表不支持随机读取，单链表取数据元素操作的时间复杂度为O（n）；而顺序表支持随机读取，顺序表取数据元素操作的时间复杂度为O（1）。


http://www.mrgr.cn/news/54947.html

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