链表——最基本的数据结构之一 | 经典链表应用场景：LRU 缓存淘汰算法

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http://www.chinacion.cn/article/4419.html

和数组相同，链表也是一种线性表结构。作为非常基础、非常常用的两种数据结构，数组和链表经常被拿来比较。

链表定义

1. 链表是一种线性表数据结构；
2. 从底层存储结构上看，链表不需要一整块连续的存储空间，而是通过“指针”将一组零散的内存块串联起来使用；
3. 链表中的每个内存块被称为链表的“结点”，每个结点除了要存储数据外，还需要记录上(下)一个结点的地址。

链表特点

1. 插入、删除数据效率高，只需要考虑相邻结点的指针改变，不需要搬移数据，时间复杂度是 O(1)。
2. 随机查找效率低，需要根据指针一个结点一个结点的遍历查找，时间复杂度为O(n)。
3. 与内存相比，链表的空间消耗大，因为每个结点除了要存储数据本身，还要储存上(下)结点的地址。

常用的链表类型

链表结构五花八门，常用的有三种：单链表、循环链表、双向链表和双向循环列表。

单链表

如图所示：

1. 单链表的每个节点只包含一个后继指针；
2. 单链表的头结点和尾结点比较特殊，头结点用来记录链表的基地址，是链表遍历的起点，尾结点的后继指针不指向任何结点，而是指向一个空地址NULL。
3. 单链表的插入、删除操作时间复杂度为O(1)，随机查找时间复杂度为O(n)。

循环链表

循环列表是一种特殊的单链表，它跟单链表唯一的区别就在于它的尾结点又指回了链表的头结点，首尾相连，形成了一个环，所以叫做循环链表。

与单链表相比，循环链表的优点是从链尾到链首比较方便，适用于处理具有环形结构的数据问题，比如著名的约瑟夫问题。

双向链表

双向链表中的每个结点具有两个方向指针，后继指针(next)指向后面的结点，前驱指针(prev)指向前面的结点。
双向链表也有两个特殊结点，首节点的前驱指针和尾结点的后继指针均指向空地址NULL。

与单链表相比，储存同样的数据，双向链表会占用更多的内存空间。虽然多占用了空间，但是双向链表在处理根据已知结点查找上一节点、有序链表查找等问题上，都表现的更灵活高效。

双向循环链表

链表&数组对比

数组缺点

1. 数组必须占用整块、连续的内存空间，如果声明数组过大，可能回导致“内存不足”。
2. 数组不够灵活，一旦需要扩容，会重新申请连续整块空间，并需要把原数组的数据全部拷贝到新申请的空间。

链表缺点

1. 内存空间消耗更大，用于储存结点指针信息。
2. 对链表进行频繁的插入、删除操作会导致频繁的内存申请、释放，容易造成内存碎片，如果是JAVA语言，还有可能会导致频繁的GC（Garbage Collection，垃圾回收）。

经典的链表应用场景： LRU 缓存淘汰算法

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。
缓存空间的大小有限，当缓存空间被用满时，哪些数据应该被清理出去，哪些数据应该被保留？这就需要缓存淘汰策略来决定。常见的缓存清理策略有三种：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）。
如何用链表来实现LRU缓存淘汰策略呢？
思路：维护一个有序单链表，越靠近链表尾部的结点是越早之前访问的。当有一个新的数据被访问时，我们从链表头部开始顺序遍历链表。

1. 如果此数据之前已经被缓存在链表中了，我们遍历得到这个数据的对应结点，并将其从原来的位置删除，并插入到链表头部。
2. 如果此数据没在缓存链表中，又可以分为两种情况处理：

如果此时缓存未满，可直接在链表头部插入新节点存储此数据；
如果此时缓存已满，则删除链表尾部节点，再在链表头部插入新节点。