数据结构Java实现02----单向链表的插入和删除

 

文本主要内容：

• 链表结构
• 单链表代码实现
• 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。 

　　 这种类型的对象有时称为自引用对象。

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：

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：

不带头结点的单链表如下：

带头结点的单链表如下图：

关于头指针和头结点的概念区分，可以参考如下博客：

http://blog.csdn.net/hitwhylz/article/details/12305021

2、不带头结点的单链表的插入操作：

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）

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。

问题1：头结点的好处：

　　头结点即在链表的首元结点之前附设的一个结点，该结点的数据域中不存储线性表的数据元素，其作用是为了对链表进行操作时，可以对空表、非空表的情况以及对首元结点进行统一处理，编程更方便。

问题2：如何表示空表：

　　无头结点时，当头指针的值为空时表示空表；
　　有头结点时，当头结点的指针域为空时表示空表。

如下图所示：

问题3：头结点的数据域内装的是什么？

头结点的数据域可以为空，也可存放线性表长度等附加信息，但此结点不能计入链表长度值。

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）

package com.myutil.list;

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

(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：

(3)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++;
        }
        
    }    
    
    @Override
    public 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--;
    }

    @Override
    public Object get(int index) throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        if(index <-1 || index >size-1)
        {
            throw new Exception("参数非法！");
        }
        index(index);
        
        return current.getElement();
    }

    @Override
    public void insert(int index, Object obj) throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        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(new Node(obj,current.next));
        size++;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return size==0;
    }

    @Override
    public int size() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return 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 stub
        LinkList 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("
------删除第五个元素之后-------");
        for (int i = 0; i < list.size; i++) {
            System.out.print(list.get(i) + " ");
        }
    }

}

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);
    }

}

运行效果：

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：

1     //查询数据是否存在
2     public boolean contains(String data) {      // 查找数据
3         // 根节点没有数据，查找的也没有数据
4         if (this.root == null || data == null) {
5             return false;        // 不需要进行查找了
6         }
7         return this.root.containsNode(data);        // 交给Node类处理
8     }

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：

 1       //判断节点是否存在
 2         public boolean containsNode(String data) {      // 查找数据
 3             if (data.equals(this.data)) {     // 与当前节点数据吻合
 4                 return true;
 5             } else {       // 与当前节点数据不吻合
 6                 if (this.next != null) {   // 还有下一个节点
 7                     return this.next.containsNode(data);
 8                 } else {       // 没有后续节点
 9                     return false;        // 查找不到
10                 }
11             }
12         }

6、删除数据：

• public boolean remove(数据 对象)

 在LinkList.java中加入如下代码：

 1    //方法：删除数据
 2     public boolean remove(String data) { //要删除的节点，假设每个节点的data都不一样
 3 
 4         if (!this.contains(data)) { //要删除的数据不存在
 5             return false;
 6         }
 7 
 8         if (root != null) {
 9             if (root.data.equals(data)) {  //说明根节点就是需要删除的节点
10                 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）
11             } else {  //否则
12                 root.removeNode(data);
13             }
14         }
15         size--;
16         return true;
17 
18     }

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：

1  //输出所有节点
2     public void print() {
3         if (root != null) {
4             System.out.print(root.data);
5             root.printNode();
6             System.out.println();
7         }
8     }

然后，在Node类中做节点的输出：

1  //输出所有节点
2         public void printNode() {
3             if (this.next != null) {
4                 System.out.print("-->" + this.next.data);
5                 this.next.printNode();
6             }
7         }

  

8、取出全部数据：

• public 数据 [] toArray()

对于链表的这种数据结构，最为关键的是两个操作：删除、取得全部数据。

在LinkList类之中需要定义一个操作数组的脚标：  

    private int foot = 0;      // 操作返回数组的脚标

在LinkList类中定义返回数组，必须以属性的形式出现，只有这样，Node类才可以访问这个数组并进行操作：

    private String [] retData ;       // 返回数组

在LinkList类之中增加toArray()的方法：

 1 //方法：获取全部数据
 2     public String[] toArray() {
 3         if (this.size == 0) {
 4             return null; // 没有数据
 5         }
 6         this.foot = 0;       // 清零
 7         this.retData = new String[this.size];     // 开辟数组大小
 8         this.root.toArrayNode();
 9         return this.retData;
10     }

修改Node类的操作，增加toArrayNode()方法：

1         //获取全部数据
2         public void toArrayNode() {
3             LinkList.this.retData[LinkList.this.foot++] = this.data;
4             if (this.next != null) {
5                 this.next.toArrayNode();
6             }
7         }

不过，按照以上的方式进行开发，每一次调用toArray()方法，都要重复的进行数据的遍历，如果在数据没有修改的情况下，这种做法是一种非常差的做法，最好的做法是增加一个修改标记，如果发现数据增加了或删除的话，表示要重新遍历数据。

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

然后，我们修改LinkList类中的toArray()方法：（其他代码保持不变）

//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
        if (this.changeFlag == true) {          // 内容被修改了，需要重新取
            this.retData = new String[this.size];     // 开辟数组大小
            this.root.toArrayNode();
        }
        return this.retData;
    }

9、根据索引位置取得数据：

• public 数据 get(int index)

在一个链表之中会有多个节点保存数据，现在要求可以取得指定节点位置上的数据。但是在进行这一操作的过程之中，有一个小问题：如果要取得数据的索引超过了数据的保存个数，那么是无法取得的。

在LinkList类之中，增加一个get()方法：

1  //方法：根据索引取得数据
2     public String get(int index) {
3         if (index > this.size) {         // 超过个数
4             return null;          // 返回null
5         }
6         this.foot = 0;       // 操作foot来定义脚标
7         return this.root.getNode(index);
8     }

在Node类之中配置getNode()方法：

1        //根据索引位置获取数据
2         public String getNode(int index) {
3             if (LinkList.this.foot++ == index) {     // 当前索引为查找数值
4                 return this.data;
5             } else {
6                 return this.next.getNode(index);
7             }
8         }

10、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10条方法中，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：

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：

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）。

2、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）。