7L-双线链表实现

链表是基本的数据结构,尤其双向链表在应用中最为常见,LinkedList 就实现了双向链表。今天我们一起手写一个双向链表。

文中涉及的代码可访问 GitHub:https://github.com/UniqueDong/algorithms.git

上次我们说了「单向链表」的代码实现,今天带大家一起玩下双向链表,双向链表的节点比单项多了一个指针引用 「prev」。双向链表就像渣男,跟「前女友」和「现女友」,还有一个「备胎』都保持联系。前女友就像是前驱节点,现女友就是 「当前 data」,而「next」指针就像是他套住的备胎。每个 Node 节点有三个属性,类比就是 「前女友」+ 「现女友」 + 「备胎」。

使用这样的数据结构就能实现「进可攻退可守」灵活状态。

接下来让我们一起实现『渣男双向链表』。

定义Node

节点分别保存现女友、前女友、跟备胎的联系方式,这样就能够实现一三五轮换运动(往前看有前女友,往后看有备胎),通过不同指针变可以找到前女友跟备胎。就像渣男拥有她们的联系方式。

private static class Node<E> {
        //现女友
        E item;
        // 备胎
        Node<E> next;
        // 前女友
        Node<E> prev;

        public Node(Node<E> prev, E item, Node<E> next) {
            this.prev = prev;
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }

代码实现

定义好渣男节点后,就开始实现我们的双向链表。类似过来就是一个渣男联盟排成一列。我们还需要定义两个指针分别指向头结点和尾节点。一个带头大哥,一个收尾小弟。

public class DoubleLinkedList<E> extends AbstractList<E> implements Queue<E> {
    transient int size = 0;

    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     * (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     * (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;
}

头节点添加

新的渣男进群了,把他设置成群主带头大哥。首先构建新节点,prev = null,带头大哥业务繁忙,不找前女友,所以 prev = null;next 则指向原先的 first。

  1. 如果链表是空的,则还要把尾节点也指向新创建的节点。

  2. 若果链表已近有数据,则把原先 first.prev = newNode。

    @Override
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }
    /**
     * 头结点添加数据
     *
     * @param e 数据
     */
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = this.first;
        Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        // first 指向新节点
        first = newNode;
        if (Objects.isNull(f)) {
            // 链表是空的
            last = newNode;
        } else {
            // 将原 first.prev = newNode
            f.prev = newNode;
        }
        size++;
    }

尾节点添加

将新进来的成员放在尾巴。

第一步构建新节点,把 last 指向新节点。

第二步判断 last 节点是否是空,为空则说明当前链表是空,还要把 first 指向新节点。否则就需要把原 last.next 的指针指向新节点。

    @Override
    public boolean add(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }
    private void addLast(E e) {
        final Node<E> l = this.last;
        Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (Objects.isNull(l)) {
            // 链表为空的情况下,设置 first 指向新节点
            first = newNode;
        } else {
            // 原 last 节点的 next 指向新节点
            l.next = newNode;
        }
        size++;
    }

指定位置添加

分为两种情况,一个是在最后的节点新加一个。一种是在指定节点的前面插入新节点。

在后面添加前面尾巴添加已经说过,对于在指定节点的前面插入需要我们先找到指定位置节点,然后改变他们的 prev next 指向。

@Override
    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);
        if (index == size) {
            linkLast(element);
        } else {
            linkBefore(element, node(index));
        }
    }


    /**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E element) {
        addLast(element);
    }


    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    private void linkBefore(E element, Node<E> succ) {
        // assert succ != null
        final Node<E> prev = succ.prev;
        // 构造新节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(prev, element, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (Objects.isNull(prev)) {
            first = newNode;
        } else {
            prev.next = newNode;
        }
        size++;
    }

节点查找

为了优化,根据 index 查找的时候先判断 index 落在前半部分还是后半部分。前半部分通过 first 开始查找,否则通过 last 指针从后往前遍历。

    @Override
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    Node<E> node(int index) {
        // 优化查找,判断 index 在前半部分还是后半部分。
        if (index < (this.size >> 2)) {
            // 前半部分,从头结点开始查找
            Node<E> x = this.first;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                x = x.next;
            }
            return x;
        } else {
            // 后半部分,从尾节点开始查找
            Node<E> x = this.last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--) {
                x = x.prev;
            }
            return x;
        }
    }

查找 Object 所在位置 indexOf ,若找不到返回 -1

    @Override
    public int indexOf(Object o) {
        int index = 0;
        if (Objects.isNull(o)) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    return index;
                }
                index++;
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item.equals(o)) {
                    return index;
                }
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }

判断 链表中是否存在 指定对象 contains ,其实还是利用 上面的 indexOf 方法,当返回值 不等于 -1 则说明包含该对象。

@Override
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) != -1;
    }

节点删除

有两种删除情况:

  1. 根据下标删除指定位置的节点。

  2. 删除指定数据的节点。

删除指定位置节点

  1. 首先判断该 index 是否合法存在。

  2. 查找要删除的节点位置,重新设置被删除节点关联的指针指向。

node() 方法已经在前面的查找中封装好这里可以直接调用,我们再实现 unlink 方法,该方法还会用于删除指定对象,所以这抽出来实现复用。也是最核心最不好理解的方法,我们多思考画图理解下。

    @Override
    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }
    public final void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    /**
     * Tells if the argument is the index of an existing element.
     */
    private boolean isElementIndex(int index) {
        return index >= 0 && index < size();
    }

    /**
     * Unlinks non-null node x.
     */
    private E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;
        // 若 只有一个节点,那么会执行 prev == null 和 next == null 分支代码
        // 若 prev == null 则说明删除的是头结点,主要负责 x 节点跟前驱节点的引用处理
        if (Objects.isNull(prev)) {
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }
        // 若 next 为空,说明删除的是尾节点,主要负责 x 与 next 节点 引用的处理
        if (Objects.isNull(next)) {
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

        x.item = null;
        size--;
        return element;
    }

分别找出被删除节点 x 的前驱和后继节点,要考虑当前链表只有一个节点的情况,最后还要把被删除节点的 的 next 指针 ,item 设置 null,便于垃圾回收,防止内存泄漏。

删除指定数据

这里判断下数据是否是 null , 从头节点开始遍历链表,当找到索要删除的节点的时候低啊用前面封装好的 unlink 方法实现删除。

@Override
    public boolean remove(Object o) {
        if (Objects.isNull(o)) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item)) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

完整代码可以参考 GitHub:https://github.com/UniqueDong/algorithms.git


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南宫俊逸创始人

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