数据结构Java实现 --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。 

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）

//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：

(3)LinkList.java:单向链表类(核心代码)

 1 //单向链表类 2 public class LinkList implements List { 3  4     Node head; //头指针 5     Node current;//当前结点对象 6     int size;//结点个数 7      8     //初始化一个空链表 9     public LinkList()10     {11         //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。12         this.head = current = new Node(null);13         this.size =0;//单向链表，初始长度为零。14     }15     16     //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。17     //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18     public void index(int index) throws Exception19     {20         if(index <-1 || index > size -1)21         {22           throw new Exception("参数错误！");    23         }24         //说明在头结点之后操作。25         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。26             return;27         current = head.next;28         int j=0;//循环变量29         while(current != null&&j<index)30         {31             current = current.next;32             j++;33         }34         35     }    36     37     @Override38     public void delete(int index) throws Exception {39         // TODO Auto-generated method stub40         //判断链表是否为空41         if(isEmpty())42         {43             throw new Exception("链表为空，无法删除！");44         }45         if(index <0 ||index >size)46         {47             throw new Exception("参数错误！");48         }49         index(index-1);//定位到要操作结点的前一个结点对象。50         current.setNext(current.next.next);51         size--;52     }53 54     @Override55     public Object get(int index) throws Exception {56         // TODO Auto-generated method stub57         if(index <-1 || index >size-1)58         {59             throw new Exception("参数非法！");60         }61         index(index);62         63         return current.getElement();64     }65 66     @Override67     public void insert(int index, Object obj) throws Exception {68         // TODO Auto-generated method stub69         if(index <0 ||index >size)70         {71             throw new Exception("参数错误！");72         }73         index(index-1);//定位到要操作结点的前一个结点对象。74         current.setNext(new Node(obj,current.next));75         size++;76     }77 78     @Override79     public boolean isEmpty() {80         // TODO Auto-generated method stub81         return size==0;82     }83 84     @Override85     public int size() {86         // TODO Auto-generated method stub87         return this.size;88     }89     90     91 }

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:

 1 public class Test { 2  3     public static void main(String[] args) throws Exception { 4         // TODO Auto-generated method stub 5         LinkList list = new LinkList(); 6         for (int i = 0; i < 10; i++) { 7             int temp = ((int) (Math.random() * 100)) % 100; 8             list.insert(i, temp); 9             System.out.print(temp + " ");10         }11 12         list.delete(4);13         System.out.println("\n------删除第五个元素之后-------");14         for (int i = 0; i < list.size; i++) {15             System.out.print(list.get(i) + " ");16         }17     }18 19 }

运行效果：

 

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）

 1 public class LinkList { 2     private Node root; //定义一个根节点 3  4     //方法：增加节点 5     public boolean add(String data) { 6  7         if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败 8             return false; 9         }10 11         // 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系12         Node newNode = new Node(data);13         // 链表的关键就在于根节点14         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)15             root = newNode;16         } else {17             root.addNode(newNode);18 19         }20 21         return true;22 23     }24 25 26     //定义一个节点内部类（假设要保存的数据类型是字符串）27     //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28     class Node {29         private String data;30         private Node next;  //next表示：下一个节点对象（单链表中）31 32         public Node(String data) {33             this.data = data;34         }35 36         public void addNode(Node newNode) {37 38             //下面这段用到了递归，需要反复理解39             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40                 this.next = newNode;   //添加新节点41             } else {42                 this.next.addNode(newNode);  //向下继续判断，直到当前节点之后没有节点为止43 44             }45         }46     }47 }

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：

1     //方法：增加一组数据2     public boolean addAll(String data[]) {     // 一组数据3         for (int x = 0 ; x < data.length ; x ++) {4             if (!this.add(data[x])) { // 只要有一次添加不成功，那就是添加失败5                 return false ;6             }7         }8         return true ;9     }

 

 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）

 1     //添加节点 2     public boolean add(String data) { 3  4         if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败 5             return false; 6         } 7  8         // 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系 9         Node newNode = new Node(data);10         // 链表的关键就在于根节点11         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)12             root = newNode;13         } else {14             root.addNode(newNode);15 16         }17 18         this.size++;19         return true;20 21     }

 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null5         }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：

  1 /**  2  * Created by smyhvae on 2015/8/27.  3  */  4   5 public class LinkList {  6   7     private int size;  8     private Node root; //定义一个根节点  9  10     private int foot = 0;      // 操作返回数组的脚标 11     private String[] retData;       // 返回数组 12     private boolean changeFlag = true; 13     // changeFlag == true：数据被更改了，则需要重新遍历 14     // changeFlag == false：数据没有更改，不需要重新遍历 15  16  17     //添加数据 18     public boolean add(String data) { 19  20         if (data == null) {     // 如果添加的是一个空数据，那增加失败 21             return false; 22         } 23  24         // 将数据封装为节点，目的：节点有next可以处理关系 25         Node newNode = new Node(data); 26         // 链表的关键就在于根节点 27         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) 28             root = newNode; 29         } else { 30             root.addNode(newNode); 31  32         } 33  34         this.size++; 35         return true; 36  37     } 38  39  40     //方法：增加一组数据 41     public boolean addAll(String data[]) {     // 一组数据 42         for (int x = 0; x < data.length; x++) { 43             if (!this.add(data[x])) { // 只要有一次添加不成功，那就是添加失败 44                 return false; 45             } 46         } 47         return true; 48     } 49  50     //方法：删除数据 51     public boolean remove(String data) { //要删除的节点，假设每个节点的data都不一样 52  53         if (!this.contains(data)) { //要删除的数据不存在 54             return false; 55         } 56  57         if (root != null) { 58             if (root.data.equals(data)) {  //说明根节点就是需要删除的节点 59                 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） 60             } else {  //否则 61                 root.removeNode(data); 62             } 63         } 64         size--; 65         return true; 66  67     } 68  69     //输出所有节点 70     public void print() { 71         if (root != null) { 72             System.out.print(root.data); 73             root.printNode(); 74             System.out.println(); 75         } 76     } 77  78  79     //方法：获取全部数据 80     public String[] toArray() { 81         if (this.size == 0) { 82             return null; // 没有数据 83         } 84         this.foot = 0;       // 清零 85         this.retData = new String[this.size];     // 开辟数组大小 86         this.root.toArrayNode(); 87         return this.retData; 88     } 89  90  91     //获取数据的长度 92     public int size() { 93         return this.size; 94     } 95  96     //判断是否为空链表 97     public boolean isEmpty() { 98         return this.size == 0; 99     }100 101     //清空链表102     public void clear() {103         this.root = null;104         this.size = 0;105     }106 107 108     //查询数据是否存在109     public boolean contains(String data) {      // 查找数据110         // 根节点没有数据，查找的也没有数据111         if (this.root == null || data == null) {112             return false;        // 不需要进行查找了113         }114         return this.root.containsNode(data);        // 交给Node类处理115     }116 117 118     //方法：根据索引取得数据119     public String get(int index) {120         if (index > this.size) {         // 超过个数121             return null;          // 返回null122         }123         this.foot = 0;       // 操作foot来定义脚标124         return this.root.getNode(index);125     }126 127 128     //定义一个节点内部类（假设要保存的数据类型是字符串）129     //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130     class Node {131         private String data;132         private Node next;  //next表示：下一个节点对象（单链表中）133 134         public Node(String data) {135             this.data = data;136         }137 138         //添加节点139         public void addNode(Node newNode) {140 141             //下面这段用到了递归，需要反复理解142             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143                 this.next = newNode;   //添加新节点144             } else {145                 this.next.addNode(newNode);  //向下继续判断，直到当前节点之后没有节点为止146 147             }148         }149 150 151         //判断节点是否存在152         public boolean containsNode(String data) {      // 查找数据153             if (data.equals(this.data)) {     // 与当前节点数据吻合154                 return true;155             } else {       // 与当前节点数据不吻合156                 if (this.next != null) {   // 还有下一个节点157                     return this.next.containsNode(data);158                 } else {       // 没有后续节点159                     return false;        // 查找不到160                 }161             }162         }163 164 165         //删除节点166         public void removeNode(String data) {167             if (this.next != null) {168                 if (this.next.data.equals(data)) {169                     this.next = this.next.next;170                 } else {171                     this.next.removeNode(data);172                 }173             }174 175         }176 177         //输出所有节点178         public void printNode() {179             if (this.next != null) {180                 System.out.print("-->" + this.next.data);181                 this.next.printNode();182             }183         }184 185         //获取全部数据186         public void toArrayNode() {187             LinkList.this.retData[LinkList.this.foot++] = this.data;188             if (this.next != null) {189                 this.next.toArrayNode();190             }191         }192 193 194         //根据索引位置获取数据195         public String getNode(int index) {196             if (LinkList.this.foot++ == index) {     // 当前索引为查找数值197                 return this.data;198             } else {199                 return this.next.getNode(index);200             }201         }202 203 204     }205 }

 

 

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）。