第四章 链表（Linked List）

4.1 链表（Linked List）

链表是有序的列表，但是它的内容中的存储如下：

小结：

1）链表是以节点的方式来存储，是链式存储。
2）每个节点包含 data 域，next 域：指向下一个节点。
3）链表的各个节点不一定是连续存储的。
4）链表分带头节点的链表和没有头节点的链表，根据实际的需求来确定

单链表（带头节点）逻辑结构示意图：

4.2 单链表的应用实例

使用带头节点的单向链表实现—水浒英雄排名管理。

1. 完成对英雄人物的增删改查操作。
   2）第一种方法在添加英雄时，直接添加到链表的尾部。

class HeroNode{
	int no；
	String name；
	String nickName；
	HeroNode next；
}
添加（创建）
1.先创建一个head头节点，作用就是表示单链表的头
2.后面我们每添加一个节点，就直接加入到链表的最后。
3.通过一个辅助变量变量，帮助遍历整个链表。

3）第二种方式在添加英雄时，根据排名将英雄插入到指定位置。

需要按照编号的顺序添加：
1.首先找到新添加的节点要添的位置，是通过辅助变量（相当于指针）通过遍历搞定。
2.新的节点.next = temp.next
3.将temp.next = 新的节点

3）修改节点功能
思路（1）先找到该节点，通过遍历。
（2）temp.name = newHero.name;
temp.nickname = newHero.nickname
4) 删除节点：

从单链表中删除一个节点的思路：
1.我们先找到需要删除的这个节点的前一个节点temp
2.temp.next = temp.next.next
3.被删除的节点，将不会有其它引用指向，会被垃圾回收机制回收。

public class SingleLinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //进行测试
        //先创建节点
        HeroNode hero1 = new HeroNode(1,"宋江","及时雨");
        HeroNode hero2 = new HeroNode(2, "卢俊义", "玉麒麟");
        HeroNode hero3 = new HeroNode(3, "吴用", "智多星");
        HeroNode hero4 = new HeroNode(4, "林冲", "豹子头");

        //创建要给的链表
        SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();

        //加入
        singleLinkedList.add(hero1);
        singleLinkedList.add(hero4);
        singleLinkedList.add(hero3);
        singleLinkedList.add(hero2);

        //显示一把
        singleLinkedList.list();

        //测试修改节点的代码
        HeroNode newHeroNode = new HeroNode(2,"小卢","玉麒麟");
        singleLinkedList.update(newHeroNode);
        System.out.println("修改后的链表情况~~");
        singleLinkedList.list();

        //删除一个节点
        singleLinkedList.del(1);
        System.out.println("删除后的链表情况~~");
        singleLinkedList.list();
    }
}

//定义SingleLinkedList 管理我们的英雄
class SingleLinkedList{
    //先初始化一个头节点，头节点不要动，不放具体的数据
    private HeroNode head = new HeroNode(0,"","");

    //返回头节点
    public HeroNode getHead(){
        return head;
    }
    //添加节点到单向链表
    //思路，当不考虑编号顺序时
    //1. 找到当前链表的最后节点
    //2. 将最后这个节点的next 指向 新的节点
    public void add(HeroNode heroNode){
        //因为head节点不能动，因此我们需要一个辅助遍历 temp
        HeroNode temp = head;
        //遍历链表，找到最后
        while (true){
            //找到链表的最后
            if(temp.next == null){
                break;
            }
            //如果没有找到最后, 将将temp后移
            temp = temp.next;
        }
        //当退出while循环时，temp就指向了链表的最后
        //将最后这个节点的next 指向 新的节点
        temp.next = heroNode;
    }
    //第二种方式在添加英雄时，根据排名将英雄插入到指定位置
    //(如果有这个排名，则添加失败，并给出提示)
    public void addByOrder(HeroNode heroNode){
        //因为头节点不能动，因此我们仍然通过一个辅助指针(变量)来帮助找到添加的位置
        //因为单链表，因为我们找的temp 是位于 添加位置的前一个节点，否则插入不了
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false;// flag标志添加的编号是否存在，默认为false
        while (true){
            if(temp.next == null){
                break;
            }
            if(temp.next.no > heroNode.no){
                //位置找到，就在temp的后面插入
                break;
            }else if(temp.next.no == heroNode.no){
                //说明希望添加的heroNode的编号已然存在
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if(flag){
            System.out.printf("准备插入的英雄的编号 %d 已经存在了, 不能加入\n", heroNode.no);
        }else{
            //插入到链表中, temp的后面
            heroNode.next = temp.next;
            temp.next = heroNode;
        }
    }
    //修改节点的信息, 根据no编号来修改，即no编号不能改.
    //说明
    //1. 根据 newHeroNode 的 no 来修改即可
    public void update(HeroNode newHeroNode){
        // 判断是否为空
        if(head.next == null){
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        //修改节点的信息, 根据no编号来修改，即no编号不能改.
        //说明
        //1. 根据 newHeroNode 的 no 来修改即可
        HeroNode temp = head.next;
        boolean flag = false;//表示是否找到该节点
        while (true){
            if(temp == null){
                break;
            }
            if(temp.no == newHeroNode.no){
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        //根据flag 判断是否找到要修改的节点
        if(flag){
            temp.name = newHeroNode.name;
            temp.nickname = newHeroNode.nickname;
        }else {
            System.out.printf("没有找到 编号 %d 的节点，不能修改\n", newHeroNode.no);
        }
    }
    //删除节点
    //思路
    //1. head 不能动，因此我们需要一个temp辅助节点找到待删除节点的前一个节点
    //2. 说明我们在比较时，是temp.next.no 和  需要删除的节点的no比较
    public void del(int no){
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false;// 标志是否找到待删除节点的
        while (true){
            if(temp.next == null){
                //已经到链表的最后
                break;
            }
            if(temp.next.no == no){
                //找到的待删除节点的前一个节点temp
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        //判断flag
        if(flag){
            //可以删除
            temp.next = temp.next.next;
        }else{
            System.out.printf("要删除的 %d 节点不存在\n", no);
        }
    }

    //显示链表[遍历]
    public void list(){
        // 判断链表是否为空
        if(head.next == null){
            System.out.println("链表为空");
            return;
        }
        //因为头节点，不能动，因此我们需要一个辅助变量来遍历
        HeroNode temp = head.next;
        while(true){
            //判断是否到链表尾了
            if(temp == null){
                break;
            }
            //输出节点的信息
            System.out.println(temp);
            temp = temp.next;
        }
    }


}

class HeroNode{
    public int no;
    public String name;
    public String nickname;
    public HeroNode next;//指向下一个节点

    //构造器
    public HeroNode(int no,String name,String nickname){
        this.no = no;
        this.name = name;
        this.nickname = nickname;
    }
    //为了显示方便，我们重新toString


    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode{" +
                "no=" + no +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", nickname='" + nickname + '\'' +
                '}';
    }
}

4.2.1.求单链表中有效节点的个数

// 1.求单链表中有效节点的个数

    /**
     *
     * @param head
     * @return 返回的就是有效节点的个数
     */
    public static int getLength(HeroNode head){
        if (head.next == null){
            return 0;
        }
        int lenght = 0;
            //定义一个辅助的变量, 这里我们没有统计头节点
        HeroNode cur = head.next;
        while (cur != null){
            lenght++;
            cur = cur.next;
        }
        return  lenght;
        }

4.2.2. 查找单链表中的倒数第k个结点

//2.查找单链表中的倒数第k个结点 【新浪面试题】
        /*
            思路：
           1.编写一个方法，接收head节点，同时接收一个indx
           2.index 表示是倒数第index第x个节点
           3.先把链表从头到尾遍历，得到链表得总长度getLength
           4.得到size后，我们从链表得第一个开始遍历（size-index）个。就可以得到
           5.如果找到了，则返回该节点，否则返回nulll
         */
        public static HeroNode findLastIndexNode(HeroNode head,int index){
            //判断如果链表为空，返回null
            if(head.next == null){
                return null;
            }
            //第一个遍历得到链表的长度(节点个数)
            int size = getLength(head);
            //第二次遍历  size-index 位置，就是我们倒数的第K个节点
            //先做一个index的校验
            if(index <= 0|| index >size){
                return null;
            }
            //定义给辅助变量， for 循环定位到倒数的index
            HeroNode cur = head.next;
            for(int i = 0;i < size-index;i++){
                cur = cur.next;
            }
            return cur;
        }

4.2.3.单链表的反转

// 3.单链表的反转【腾讯面试题，有点难度】
        public static void reversetList(HeroNode head){
            //如果当前链表为空，或者只有一个节点，无需反转，直接返回
            if(head.next == null||head.next.next == null){
                return;
            }
            //定义一个辅助的指针(变量)，帮助我们遍历原来的链表
            HeroNode cur = head.next;
            HeroNode next = null ;//指向当前节点【cur】的下一个节点
            HeroNode reverseHead = new HeroNode(0,"","");
            //遍历原来的链表，每遍历一个节点，就将其取出，并放在新的链表reverseHead 的最前端
            while (cur != null){
                next = cur.next;//先暂时保存当前节点的下一个节点，因为后面需要使用
                cur.next = reverseHead.next;//将cur的下一个节点指向新的链表的最前端
                reverseHead.next = cur;//将cur 连接到新的链表上
                cur = next;//让cur后移
            }
            //将head.next 指向 reverseHead.next , 实现单链表的反转
            head.next = reverseHead.next;
        }

4.2.4从尾到头打印单链表

  //方式2：
    //可以利用栈这个数据结构，将各个节点压入到栈中，然后利用栈的先进后出的特点，就实现了逆序打印的效果
    public static void reversePrint(HeroNode head){
            if(head.next == null){
                return;
            }
            //创建一个栈把每个节点压入栈中
            Stack<HeroNode> stack = new Stack<HeroNode>();
            HeroNode cur = head.next;
            while (cur != null){
                stack.add(cur);
                cur = cur.next;
            }
            //打印
            while (stack.size() >0){
                System.out.println(stack.pop());
            }
    }

4.3 双向链表应用实例

1.单向链表，查找的方向只能是一个方向，而双向链表可以向前或者向后查找。
2.单向链表不能自我删除，需要靠辅助节点 ，而双向链表，则可以自我删除，所以前面我们单链表删除时节点，总是找到temp,temp是待删除节点的前一个节点(认真体会).

public class DoubleLinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        System.out.println("双向链表的测试");
        // 先创建节点
        HeroNode2 hero1 = new HeroNode2(1, "宋江", "及时雨");
        HeroNode2 hero2 = new HeroNode2(2, "卢俊义", "玉麒麟");
        HeroNode2 hero3 = new HeroNode2(3, "吴用", "智多星");
        HeroNode2 hero4 = new HeroNode2(4, "林冲", "豹子头");
        // 创建一个双向链表
        DoubleLinkedList doubleLinkedList = new DoubleLinkedList();
        doubleLinkedList.add(hero1);
        doubleLinkedList.add(hero2);
        doubleLinkedList.add(hero3);
        doubleLinkedList.add(hero4);

        doubleLinkedList.list();

        // 修改
        HeroNode2 newHeroNode = new HeroNode2(4, "公孙胜", "入云龙");
        doubleLinkedList.update(newHeroNode);
        System.out.println("修改后的链表情况");
        doubleLinkedList.list();

        // 删除
        doubleLinkedList.del(3);
        System.out.println("删除后的链表情况~~");
        doubleLinkedList.list();
    }
}

// 创建一个双向链表的类
class DoubleLinkedList{
    private HeroNode2 head = new HeroNode2(0,"","");
    // 返回头节点
    public HeroNode2 getHead() {
        return head;
    }
    // 遍历双向链表的方法
    // 显示链表[遍历]
    public void list(){
        if(head.next==null){
            System.out.println("k");
            return;
        }
        HeroNode2 temp = head.next;
        while (true){
            if(temp == null){
                break;
            }
            System.out.println(temp);
            temp = temp.next;
        }
    }
    // 添加一个节点到双向链表的最后.
    public void add(HeroNode2 heroNode2){
        HeroNode2 temp = head;
        while (true){
            if(temp.next == null){
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        temp.next = heroNode2;
        heroNode2.pre = temp;
    }
    // 修改一个节点的内容, 可以看到双向链表的节点内容修改和单向链表一样
    // 只是 节点类型改成 HeroNode2
    public void update(HeroNode2 newheroNode2){
        if(head.next == null){
            System.out.println("空");
            return;
        }
        HeroNode2 temp = head.next;
        boolean flag = false;
        while (true){
            if(temp == null){
                break;
            }
            if(temp.no == newheroNode2.no){
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if(flag){
            temp.name =  newheroNode2.name;
            temp.nickname = newheroNode2.nickname;
        }else{
            System.out.printf("没有找到 编号 %d 的节点，不能修改\n", newheroNode2.no);
        }
    }
    // 从双向链表中删除一个节点,
    // 说明
    // 1 对于双向链表，我们可以直接找到要删除的这个节点
    // 2 找到后，自我删除即可
    public void del(int no){
        if(head.next == null){
            System.out.println("K");
            return;
        }
        HeroNode2 temp = head.next;
        boolean flag = false;
        while (true){
            if(temp == null){
                break;
            }
            if(temp.no == no){
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if(flag){
            temp.pre.next = temp.next;
            // 这里我们的代码有问题?
            // 如果是最后一个节点，就不需要执行下面这句话，否则出现空指针
            if(temp.next != null){
                temp.next.pre = temp.pre;
            }
        }else{
            System.out.printf("要删除的 %d 节点不存在\n", no);
        }
    }
}
// 定义HeroNode2 ， 每个HeroNode 对象就是一个节点
class HeroNode2{
    public int no;
    public String name;
    public String nickname;
    public HeroNode2 next;// 指向下一个节点, 默认为null
    public HeroNode2 pre; // 指向前一个节点, 默认为null

    public HeroNode2(int no,String name,String nickname){
        this.no = no;
        this.name = name;
        this.nickname = nickname;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode2{" +
                "no=" + no +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", nickname='" + nickname + '\'' +
                '}';
    }
}

4.3 单向环形链表应用场景

Josephu(约瑟夫、约瑟夫环)  问题
Josephu  问题为：设编号为1，2，… n的n个人围坐一圈，约定编号为k（1<=k<=n）的人从1开始报数，数到m 的那个人出列，它的下一位又从1开始报数，数到m的那个人又出列，依次类推，直到所有人出列为止，由此产生一个出队编号的序列。

提示：用一个不带头结点的循环链表来处理Josephu 问题：先构成一个有n个结点的单循环链表，然后由k结点起从1开始计数，计到m时，对应结点从链表中删除，然后再从被删除结点的下一个结点又从1开始计数，直到最后一个结点从链表中删除算法结束。

构建一个单向的环形链表思路：
 1.先创建第一个节点，让first指向该节点，并形成环
 2.后面当我们每创建一个新的节点，把该节点，加入到已有的环形链表中即可。
遍历环形链表
 1.先让一个辅助指针（变量）curBoy，指向first节点
 2.然后通过一个while循环遍历该环形链表即可，curBoy.next == first。结束。

public class Josepfu {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试一把看看构建环形链表，和遍历是否ok
        CircleSingleLinkedList circleSingleLinkedList = new CircleSingleLinkedList();
        circleSingleLinkedList.addBoy(125);// 加入5个小孩节点
        circleSingleLinkedList.showBoy();

        //测试一把小孩出圈是否正确
        circleSingleLinkedList.countBoy(10, 20, 125); // 2->4->1->5->3
    }
}
// 创建一个环形的单向链表
class CircleSingleLinkedList{
    // 创建一个first节点,当前没有编号
    private Boy first = null;
    // 添加小孩节点，构建成一个环形的链表
    public void addBoy(int nums){
        //nums 做个数据校验
        if(nums < 1){
            System.out.println("nums的值不正确");
            return;
        }
        Boy curBoy = null;// 辅助指针，帮助构建环形链表
        // 使用for来创建我们的环形链表
        for (int i = 1; i <= nums ; i++) {
            // 根据编号，创建小孩节点
            Boy boy = new Boy(i);
            if(i == 1){
                first = boy;
                first.setNext(first); // 构成环
                curBoy = first;
            }else{
                curBoy.setNext(boy);
                boy.setNext(first);
                curBoy = boy;
            }
        }

    }
    // 遍历当前的环形链表
    public void showBoy(){
        // 判断链表是否为空
        if(first == null){
            System.out.println("没有任何小孩~~");
            return;
        }
        // 因为first不能动，因此我们仍然使用一个辅助指针完成遍历
        Boy curBoy = first;
        while (true){
            System.out.printf("小孩的编号 %d \n", curBoy.getNo());
            if (curBoy.getNext() == first) {// 说明已经遍历完毕
                break;
            }
            curBoy = curBoy.getNext(); // curBoy后移
        }
    }
    // 根据用户的输入，计算出小孩出圈的顺序

    /**
     *
     * @param startNo 表示从第几个小孩开始数数
     * @param countNum 表示数几下
     * @param nums   表示最初有多少小孩在圈中
     */
    public void countBoy(int startNo,int countNum,int nums){
        // 先对数据进行校验
        if(first == null || startNo < 1 || startNo > nums){
            System.out.println("参数输入有误， 请重新输入");
            return;
        }
        // 创建要给辅助指针,帮助完成小孩出圈
        Boy helper = first;
        // 需求创建一个辅助指针(变量) helper , 事先应该指向环形链表的最后这个节点
        while (true){
            if(helper.getNext() == first){
                break;
            }
            helper = helper.getNext();
            //小孩报数前，先让 first 和  helper 移动 startNo - 1次
            for (int i = 0; i <startNo - 1 ; i++) {
                first = first.getNext();
                helper = helper.getNext();
            }
            //当小孩报数时，让first 和 helper 指针同时 的移动  m  - 1 次, 然后出圈
            //这里是一个循环操作，知道圈中只有一个节点
            while (true){
                if(helper == first){
                    //说明圈中只有一个节点
                    break;
                }
                //让 first 和 helper 指针同时 的移动 countNum - 1
                for (int i = 0; i <countNum - 1 ; i++) {
                    first = first.getNext();
                    helper = helper.getNext();
                }
                //这时first指向的节点，就是要出圈的小孩节点
                System.out.printf("小孩%d出圈\n", first.getNo());
                //这时将first指向的小孩节点出圈
                first = first.getNext();
                helper.setNext(first);
            }
            System.out.printf("最后留在圈中的小孩编号%d \n", first.getNo());
        }
    }
}
// 创建一个Boy类，表示一个节点
class Boy{
    private int no; // 编号
    private Boy next; // 指向下一个节点,默认null

    public Boy(int no) {
        this.no = no;
    }

    public int getNo() {
        return no;
    }

    public Boy getNext() {
        return next;
    }

    public void setNo(int no) {
        this.no = no;
    }

    public void setNext(Boy next) {
        this.next = next;
    }
}