5分钟学会数据结构中的线性链表
前言
除了一些算法之外，我们还要掌握一些常见的数据结构，比如数组、链表、栈、队列、树等结构。 在之前的文章中，已经带着大家学习了Java里的一维数组和多维数组，所以对此我就不再细述了。接下来我会给大家讲解一下线性结构中的链表，希望你能喜欢哦。
全文大约【3200】 字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图视频，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考...
一. 链表简介
1. 概念
线性表可以说是一种最基础最简单的数据结构，它表示的是一种线性结构，比较常见的线性结构包括数组和链表等。
所谓的链表，顾名思义，就是链式的线性表，即链表也是一种线性表。与数组不同的是，链表采用的是链式存储，这种链式结构是非连续、非顺序的内存空间。链表中的每一个独立的元素被称为结点，故链表由一系列的结点组成。
其中链式存储的含义如下：
假如我们需要存放一堆物品，但没有足够大的空间将所有的物品一次性放下，此时该如何既放下所有的物品，又能简单的找到所有的物品位置呢？我们可以尝试采用如下解决方案：存放物品时，每放置一件物品就在该物品上贴一个小纸条，标明下一件物品放在哪里。这样，我们只需要记住第一件物品的位置，从第一件物品上的小纸条，就可以找到第二件物品，再根据第二件物品纸条的内容就找到第三件物品。按照这个方法依次类推，我们便可以找到所有的物品，这就是所谓的链式存储。
2. 表示方式
链表中的每个结点都由两部分组成：数据域、指针域。数据域用来存放当前结点需要存储的数据内容，指针域用于存放当前结点的下一个结点的地址。如下图所示：
图1-链表的结构示意图
上图所示的节点细节如下：
首个结点中next1存放的是第二结点的内存地址，因此用一个箭头指向第二个结点，就可以表示两个结点之间的关系。
最后一个结点的后面不再有其他结点，因此最后结点的next5指针域中没有地址内容，编程中可以用null表示。
3. 特点
通过上文所述，就可以给大家总结出链表的主要特点：
(1). 从内存结构来看，链表的内存结构是不连续的内存空间，是将一组零散的内存块串联起来，从而进行数据存储的数据结构；
(2). 链表由一系列结点组成，每个结点包括两个部分，一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。链表中数据元素的逻辑顺序就是通过地址指针实现的；
(3). 链表和数组相比，内存空间消耗更大，因为每个存储数据的结点都需要额外的空间存储地址指针。
二. 链表分类
在工作实践中，开发者接触到的链表主要有三种：单向链表、双向链表、循环链表。下面给大家逐一进行介绍一下。
1. 单向链表
单向链表的每一个结点包含两部分，一部分是存放数据的变量data，另一部分是指向下一个结点的指针next。 单链表只能单向读取，其结构如下所示：
图2-单向链表结构示意图
们以Java为例，给出单向链表的结构定义：
class Node{
Object value;
Node next;
}
2. 双向链表
双向链表，表示链表结点由三部分组成：数据域、下一结点指针域、前一结点指针域。
在双向链表结构中，既可以从首个结点出发，根据下一结点指针域依次找到所有结点；同理，也可以从指定的某个结点，根据结点中的前一结点指针地址，向前依次得到前面的结点。具体地，双向链表的结构示意图如下所示：
图3-双向链表结构示意图
如上图所示：
第1个结点作为整个链表的首结点，该结点的prev1指针内容为null，表示没有前一个结点。
第5个结点作为整个链表的最后结点，next5指针内容为null，表示后续没有下一个结点。
除此之外，中间三个结点，next指针和prev指针分别指向下一个结点和前一个结点，可以实现双向查找。
使用Java进行双向链表的结点结构定义如下：
class Node{
Object value;
Node next;
Node prev;
}
3. 循环链表
如果，我们将链表的最后结点的next指针域做下修改，由原来的指向null修改为指向第1个结点，则整个链表就变成了一个环路。以单向链表进行操作，如下图所示：
图4-单向循环链表示意图
如上图，每个结点有数据域和指针域两个部分，这种循环链表被称之为单向循环链表。在计算机领域中，单向循环链表又称约瑟夫环（Josephu Loop），这一点仅做了解即可。当然，双向链表也可以调整为循环的链表，被称之为双向循环链表，如下图所示：
图5-双向循环链表示意图
三. 存储原理
数组在内存中的存储方式是顺序存储（连续存储），链表在内存中的存储方式则是随机存储，如下图所示：
图6-链表的内存存储示意图
链表的每一个结点分布在内存的不同位置，依靠next指针关联起来。这样可以灵活有效地利用零散的碎片空间。链表的第一个结点被称为头结点，没有任何结点的next指针指向它，它的前置结点为空null。头结点用来记录链表的基地址。有了它，就可以遍历得到整条链表的数据。链表的最后一个结点被称为尾结点，它的next指向为空null。
四. 链表常见操作
本篇文章内容，我们以单向链表为例，介绍链表的常见操作，主要包括：查找结点、更新结点、插入结点和删除结点等操作。
1. 查找结点
在查找元素时，链表只能从头结点开始向后，一个结点一个结点逐一查找，如下图所示：
图7-单向链表查找结点示意图
时间复杂度分析，分两种情况：
查找头结点：头结点是链表的第一个结点，直接就能得到结果，因此查找头结点时间复杂度是O(1)。
查找非头结点：如果查找非头结点，则需要从头结点向后依次查找，知道整个链表的末尾，因此查找非头结点的其他结点时，时间复杂度是O(n)，最坏情况下时间复杂度也是O(n)。
2. 更新结点
更新结点操作需要两个步骤：
找到要更新的结点；
将旧数据替换成新数据。
如下图所示：
图8-单向链表更新结点数据操作示意图
与查找结点操作时间复杂度情况类似，更新时间复杂度分两种情况：
更新头结点：单向链表更新头结点的时间复杂度是O(1)；
更新非头结点：更新其他结点的最坏情况时间复杂度是O(n)。
3. 插入结点
3.1 尾部插入
尾部插入即把最后一个结点的next指针指向新插入的结点即可，如下图所示：
图9-单向链表尾部插入结点示意图
时间复杂度分析：如上图所示，若尾部插入结点，则需要从头开始遍历，因此单向链表添加尾结点的时间复杂度是O(n)。
3.2 头部插入
头部插入新结点需要两个步骤：
(1). 把新结点的next指针指向原先的头结点；
(2). 把新结点变为链表的头结点。
如下图所示：
图10-单链表头部插入结点示意图
时间复杂度分析：因为直接将新节点的指针域指向头结点即可完成操作，因此添加头结点的时间复杂度是O(1)。
3.3 中间插入
在链表的中间位置插入结点同样需要三步：
(1). 从头结点开始向后查找，找到要插入的结点的位置；
(2). 新结点的next指针指向插入位置的结点；
(3). 插入位置前置结点的next指针指向新结点；
示意图如下：
图11-单向链表中间位置插入结点
时间复杂度分析： 若执行插入结点操作，首先需要从头结点向后查找，找到要插入的位置。很明显，与链表的规模有关，因此中间插入结点操作的时间复杂度是O(n)。
4. 删除结点
4.1 尾部删除
若希望删除链表的最后一个结点，只需要将倒数第二个结点的指针域指向null即可，如下图所示：
图12-单向链表尾部删除结点示意图
时间复杂度分析： 因为要从头开始遍历，所以单向链表删除尾结点的时间复杂度是O(n)。
4.2 头部删除
头部删除与头部插入操作类似，只需要把链表的头结点设为原先头结点的next指针即可如图：
图13-单向链表头部删除结点示意图
时间复杂度分析： 删除头结点的时间复杂度也是O(1)。
4.3 中间删除
中间位置删除结点操作类似于中间插入操作，需要三步：
(1). 从头结点开始向后，找到要删除结点的位置；
(2). 找到删除结点的前一个结点和后一个结点；
(3). 将要删除结点的前置结点的next指针，指向要删除元素的下一个结点；
如下所示：
图14-单向链表中间删除结点示意图
时间复杂度分析： 因为需要从头结点开始进行查找，因此时间复杂度与链表的规模有关，故单向链表删除中间位置结点的时间复杂度是O(n)。
五. 结语
本篇文章，我们一起学习了链表的概念，认识了单向链表、双向链表、循环链表等不同的链表类型。并以单向链表为例，分析了链表中的结点炒作及对应的时间复杂度分析，不知道你现在对链表了解了吗？