JavaScript数据结构（3）：单向链表与双向链表

翻译：疯狂的技术宅
说明：本文翻译自系列文章《Data Structures With JavaScript》，总共为四篇，原作者是在美国硅谷工作的工程师 Cho S. Kim 。这是本系列的第三篇。
英文：https://code.tutsplus.com/articles/data-structures-with-javascript-singly-linked-list-and-doubly-linked-list–cms-23392

计算机科学中最常见的两种数据结构是单链表和双链表。

在我学习这些数据结构的时候，曾经问我的同伴在生活中有没有类似的概念。我所听到的例子是购物清单和火车。但是我最终明白了，这些类比是不准确的，购物清单更类似队列，火车则更像是一个数组。

随着时间的推移，我终于发现了一个能够准确类比单链表和双向链表的例子：寻宝游戏。 如果你对寻宝游戏和链表之间的关系感到好奇，请继续往下读。

单链表

在计算机科学中，单链表是一种数据结构，保存了一系列链接的节点。 每个节点中包含数据和一个可指向另一个节点的指针。

单链列表的节点非常类似于寻宝游戏中的步骤。 每个步骤都包含一条消息（例如“您已到达法国”）和指向下一步骤的指针（例如“访问这些经纬度坐标”）。 当我们开始对这些单独的步骤进行排序并形成一系列步骤时，就是在玩一个寻宝游戏。

现在我们对单链表有了一个基本的概念，接下来讨论单链表的操作

单链表的操作

因为单链表包含节点，这两者的构造函数可以是两个独立的构造函数，所以我们需要些构造函数：Node 和 SinglyList

Node

• data 存储数据
• next 指向链表中下一个节点的指针

SinglyList

• _length 用于表示链表中的节点数量
• head 分配一个节点作为链表的头
• add(value) 向链表中添加一个节点
• searchNodeAt(position) 找到在列表中指定位置 n 上的节点
• remove(position) 删除指定位置的节点

单链表的实现

在实现时，我们首先定义一个名为Node的构造函数，然后定义一个名为SinglyList的构造函数。

Node 的每个实例都应该能够存储数据并且能够指向另外一个节点。 要实现此功能，我们将分别创建两个属性：data和next。

function Node(data) {    this.data = data;    this.next = null;}

下一步我们定义SinglyList:

function SinglyList() {    this._length = 0;    this.head = null;}

SinglyList 的每个实例有两个属性：_length和head。前者保存链表中的节点数，后者指向链表的头部，链表前面的节点。由于新创建的singlylist实例不包含任何节点，所以head的默认值是null，_length的默认值是 0。

单链表的方法

我们需要定义可以从链表中添加、查找和删除节点的方法。先从添加节点开始。

方法1/3: add(value)

太棒了，现在我们来实现将节点添加到链表的功能。

SinglyList.prototype.add = function(value) {    var node = new Node(value),        currentNode = this.head;    // 1st use-case: an empty list     if (!currentNode) {        this.head = node;        this._length++;        return node;    }    // 2nd use-case: a non-empty list    while (currentNode.next) {        currentNode = currentNode.next;    }    currentNode.next = node;    this._length++;    return node;};

把节点添加到链表会涉及很多步骤。先从方法开始。 我们使用add(value)的参数来创建一个节点的新实例，该节点被分配给名为node的变量。我们还声明了一个名为currentNode的变量，并将其初始化为链表的_head。 如果链表中还没有节点，那么head的值为null。

实现了这一点之后，我们将处理两种情况。

第一种情况考虑将节点添加到空的链表中，如果head没有指向任何节点的话，那么将该node指定为链表的头，同时链表的长度加一，并返回node。

第二种情况考虑将节点添加到飞空链表。我们进入while循环，在每次循环中，判断currentNode.next是否指向下一个节点。（第一次循环时，CurrentNode指向链表的头部。）

如果答案是否定的，我们会把currentnode.next指向新添加的节点，并返回node。

如果答案是肯定的，就进入while循环。 在循环体中，我们将currentNode重新赋值给currentNode.next。 重复这个过程，直到currentNode.next不再指向任何。换句话说，currentNode指向链表中的最后一个节点。

while循环结束后，使currentnode.next指向新添加的节点，同时_length加1，最后返回node。

方法2/3: searchNodeAt(position)

现在我们可以将节点添加到链表中了，但是还没有办法找到特定位置的节点。下面添加这个功能。创建一个名为searchNodeAt(position) 的方法，它接受一个名为 position 的参数。这个参数是个整数，用来表示链表中的位置n。

SinglyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'};    // 1st use-case: an invalid position     if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: a valid position     while (count < position) {        currentNode = currentNode.next;        count++;    }    return currentNode;};

在if中检查第一种情况：参数非法。

如果传给searchNodeAt(position)的索引是有效的，那么我们执行第二种情况 —— while循环。 在while的每次循环中，指向头的currentNode被重新指向链表中的下一个节点。

这个循环不断执行，一直到count等于position。

方法3/3: remove(position)

最后一个方法是remove(position)。

SinglyList.prototype.remove = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 0,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'},        beforeNodeToDelete = null,        nodeToDelete = null,        deletedNode = null;    // 1st use-case: an invalid position    if (position < 0 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: the first node is removed    if (position === 1) {        this.head = currentNode.next;        deletedNode = currentNode;        currentNode = null;        this._length--;        return deletedNode;    }    // 3rd use-case: any other node is removed    while (count < position) {        beforeNodeToDelete = currentNode;        nodeToDelete = currentNode.next;        count++;    }    beforeNodeToDelete.next = nodeToDelete.next;    deletedNode = nodeToDelete;    nodeToDelete = null;    this._length--;    return deletedNode;};

我们要实现的remove(position)涉及三种情况：

1. 无效的位置作为参数传递。
2. 第一个位置（链表的的`head）作为参数的传递。
3. 一个合法的位置（不是第一个位置）作为参数的传递。

前两种情况是最简单的处理。 关于第一种情况，如果链表为空或传入的位置不存在，则会抛出错误。

第二种情况处理链表中第一个节点的删除，这也是头节点。 如果是这种情况，就执行下面的逻辑：

1. 头被重新赋值给currentNode.next。
2. deletedNode指向currentNode。
3. currentNode被重新赋值为null。
4. 将的链表的长度减1。
5. 返回deletedNode。

第三种情况是最难理解的。 其复杂性在于我们要在每一次循环中操作两个节点的必要性。 在每次循环中，需要处理要删除的节点和它前面的节点。当循环到要被删除的位置的节点时，循环终止。

在这一点上，我们涉及到三个节点：
beforeNodeToDelete, nodeToDelete, 和 deletedNode。删除nodeToDelete之前，必须先把它的next的值赋给beforeNodeToDelete的next，如果不清楚这一步骤的目的，可以提醒自己有一个节点负责链接其前后的其他节点，只需要删除这个节点，就可以把链表断开。

接下来，我们将deletedNode赋值给nodeToDelete。 然后我们将nodeToDelete的值设置为null，将列表的长度减1，最后返回deletedNode。

单向链表的完整实现

以下是单向链表的完整实现：

function Node(data) {    this.data = data;    this.next = null;}function SinglyList() {    this._length = 0;    this.head = null;}SinglyList.prototype.add = function(value) {    var node = new Node(value),        currentNode = this.head;    // 1st use-case: an empty list    if (!currentNode) {        this.head = node;        this._length++;        return node;    }    // 2nd use-case: a non-empty list    while (currentNode.next) {        currentNode = currentNode.next;    }    currentNode.next = node;    this._length++;    return node;};SinglyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'};    // 1st use-case: an invalid position    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: a valid position    while (count < position) {        currentNode = currentNode.next;        count++;    }    return currentNode;};SinglyList.prototype.remove = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 0,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'},        beforeNodeToDelete = null,        nodeToDelete = null,        deletedNode = null;    // 1st use-case: an invalid position    if (position < 0 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: the first node is removed    if (position === 1) {        this.head = currentNode.next;        deletedNode = currentNode;        currentNode = null;        this._length--;        return deletedNode;    }    // 3rd use-case: any other node is removed    while (count < position) {        beforeNodeToDelete = currentNode;        nodeToDelete = currentNode.next;        count++;    }    beforeNodeToDelete.next = nodeToDelete.next;    deletedNode = nodeToDelete;    nodeToDelete = null;    this._length--;    return deletedNode;};

从单链表到双链表

我们已经完整的实现了单链表，这真是极好的。现在可以在一个占用费连续的空间的链表结构中，进行添加、删除和查找节点的操作了。

然而现在所有的操作都是从链表的起始位置开始，并运行到链表的结尾。换句话说，它们是单向的。

可能在某些情况下我们希望操作是双向的。如果你考虑了这种可能性，那么你刚才就是描述了一个双向链表。

双向链表

双向链表具有单链表的所有功能，并将其扩展为在链表中可以进行双向遍历。 换句话说，我们可从链表中第一个节点遍历到到最后一个节点；也可以从最后一个节点遍历到第一个节点。

在本节中，我们将重点关注双向链表和单链列表之间的差异。

双向链表的操作

我们的链表将包括两个构造函数：Node和DoublyList。看看他们是怎样运作的。

Node

• data 存储数据。
• next 指向链表中下一个节点的指针。
• previous 指向链表中前一个节点的指针。

DoublyList

• _length 保存链表中节点的个数
• head 指定一个节点作为链表的头节点
• tail 指定一个节点作为链表的尾节点
• add(value) 向链表中添加一个节点
• searchNodeAt(position) 找到在列表中指定位置 n 上的节点
• remove(position) 删除链表中指定位置上的节点

双向链表的实现

现在开始写代码！

在实现中，将会创建一个名为Node的构造函数：

function Node(value) {    this.data = value;    this.previous = null;    this.next = null;}

想要实现双向链表的双向遍历，我们需要指向链表两个方向的属性。这些属性被命名为previous和next。

接下来，我们需要实现DoublyList并添加三个属性：_length，head和tail。

与单链表不同，双向链表包含对链表开头和结尾节点的引用。 由于DoublyList刚被实例化时并不包含任何节点，所以head和tail的默认值都被设置为null。

function DoublyList() {    this._length = 0;    this.head = null;    this.tail = null;}

双向链表的方法

接下来我们讨论以下方法：add(value), remove(position), 和 searchNodeAt(position)。所有这些方法都用于单链表; 然而，它们必须备重写为可以双向遍历。

方法1/3 add(value)

DoublyList.prototype.add = function(value) {    var node = new Node(value);    if (this._length) {        this.tail.next = node;        node.previous = this.tail;        this.tail = node;    } else {        this.head = node;        this.tail = node;    }    this._length++;    return node;};

在这个方法中，存在两种可能。首先，如果链表是空的，则给它的head和tail分配节点。其次，如果链表中已经存在节点，则查找链表的尾部并把心节点分配给tail.next；同样，我们需要配置新的尾部以供进行双向遍历。换句话说，我们需要把tail.previous设置为原来的尾部。

方法2/3 searchNodeAt(position)

searchNodeAt(position)的实现与单链表相同。 如果你忘记了如何实现它，请通过下面的代码回忆：

DoublyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'};    // 1st use-case: an invalid position     if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: a valid position     while (count < position) {        currentNode = currentNode.next;        count++;    }    return currentNode;};

方法3/3 remove(position)

理解这个方法是最具挑战性的。我先写出代码，然后再解释它。

DoublyList.prototype.remove = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'},        beforeNodeToDelete = null,        nodeToDelete = null,        deletedNode = null;    // 1st use-case: an invalid position    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: the first node is removed    if (position === 1) {        this.head = currentNode.next;        // 2nd use-case: there is a second node        if (!this.head) {            this.head.previous = null;        // 2nd use-case: there is no second node        } else {            this.tail = null;        }    // 3rd use-case: the last node is removed    } else if (position === this._length) {        this.tail = this.tail.previous;        this.tail.next = null;    // 4th use-case: a middle node is removed    } else {        while (count < position) {            currentNode = currentNode.next;            count++;        }        beforeNodeToDelete = currentNode.previous;        nodeToDelete = currentNode;        afterNodeToDelete = currentNode.next;        beforeNodeToDelete.next = afterNodeToDelete;        afterNodeToDelete.previous = beforeNodeToDelete;        deletedNode = nodeToDelete;        nodeToDelete = null;    }    this._length--;    return message.success;};

remove(position) 处理以下四种情况：

1. 如果remove(position)的参数传递的位置存在, 将会抛出一个错误。
2. 如果remove(position)的参数传递的位置是链表的第一个节点（head），将把head赋值给deletedNode，然后把head重新分配到链表中的下一个节点。 此时，我们必须考虑链表中否存在多个节点。 如果答案为否，头部将被分配为null，之后进入if-else语句的if部分。 在if的代码中，还必须将tail设置为null —— 换句话说，我们返回到一个空的双向链表的初始状态。如果删除列表中的第一个节点，并且链表中存在多个节点，那么我们输入if-else语句的else部分。 在这种情况下，我们必须正确地将head的previous属性设置为null —— 在链表的头前面是没有节点的。
3. 如果remove(position)的参数传递的位置是链表的尾部，首先把tail赋值给deletedNode，然后tail被重新赋值为尾部之前的那个节点，最后新尾部后面没有其他节点，需要将其next值设置为null。
4. 这里发生了很多事情，所以我将重点关注逻辑，而不是每一行代码。 一旦CurrentNode指向的节点是将要被remove(position)删除的节点时，就退出while循环。这时我们把nodeToDelete之后的节点重新赋值给beforeNodeToDelete.next。相应的，
   把nodeToDelete之前的节点重新赋值给afterNodeToDelete.previous。——换句话说，我们把指向已删除节点的指针，改为指向正确的节点。最后，把nodeToDelete赋值为null。

最后，把链表的长度减1，返回deletedNode。

双向链表的完整实现

function Node(value) {    this.data = value;    this.previous = null;    this.next = null;}function DoublyList() {    this._length = 0;    this.head = null;    this.tail = null;}DoublyList.prototype.add = function(value) {    var node = new Node(value);    if (this._length) {        this.tail.next = node;        node.previous = this.tail;        this.tail = node;    } else {        this.head = node;        this.tail = node;    }    this._length++;    return node;};DoublyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'};    // 1st use-case: an invalid position    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: a valid position    while (count < position) {        currentNode = currentNode.next;        count++;    }    return currentNode;};DoublyList.prototype.remove = function(position) {    var currentNode = this.head,        length = this._length,        count = 1,        message = {failure: 'Failure: non-existent node in this list.'},        beforeNodeToDelete = null,        nodeToDelete = null,        deletedNode = null;    // 1st use-case: an invalid position    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {        throw new Error(message.failure);    }    // 2nd use-case: the first node is removed    if (position === 1) {        this.head = currentNode.next;        // 2nd use-case: there is a second node        if (!this.head) {            this.head.previous = null;        // 2nd use-case: there is no second node        } else {            this.tail = null;        }    // 3rd use-case: the last node is removed    } else if (position === this._length) {        this.tail = this.tail.previous;        this.tail.next = null;    // 4th use-case: a middle node is removed    } else {        while (count < position) {            currentNode = currentNode.next;            count++;        }        beforeNodeToDelete = currentNode.previous;        nodeToDelete = currentNode;        afterNodeToDelete = currentNode.next;        beforeNodeToDelete.next = afterNodeToDelete;        afterNodeToDelete.previous = beforeNodeToDelete;        deletedNode = nodeToDelete;        nodeToDelete = null;    }    this._length--;    return message.success;};

总结

本文中已经介绍了很多信息。 如果其中任何地方看起来令人困惑，就再读一遍并查看代码。如果它最终对你有所帮助，我会感到自豪。你刚刚揭开了一个单链表和双向链表的秘密，可以把这些数据结构添加到自己的编码工具弹药库中！

欢迎扫描二维码关注公众号，每天推送我翻译的技术文章。