--- comments: true --- # 4.2.   链表 !!! note "引言" 内存空间是所有程序的公共资源,排除已占用的内存,空闲内存往往是散落在内存各处的。我们知道,存储数组需要内存空间连续,当我们需要申请一个很大的数组时,系统不一定存在这么大的连续内存空间。而链表则更加灵活,不需要内存是连续的,只要剩余内存空间大小够用即可。 「链表 Linked List」是一种线性数据结构,其中每个元素都是单独的对象,各个元素(一般称为结点)之间通过指针连接。由于结点中记录了连接关系,因此链表的存储方式相比于数组更加灵活,系统不必保证内存地址的连续性。 链表的「结点 Node」包含两项数据,一是结点「值 Value」,二是指向下一结点的「指针 Pointer」(或称「引用 Reference」)。 ![linkedlist_definition](linked_list.assets/linkedlist_definition.png)

Fig. 链表定义与存储方式

=== "Java" ```java title="" /* 链表结点类 */ class ListNode { int val; // 结点值 ListNode next; // 指向下一结点的指针(引用) ListNode(int x) { val = x; } // 构造函数 } ``` === "C++" ```cpp title="" /* 链表结点结构体 */ struct ListNode { int val; // 结点值 ListNode *next; // 指向下一结点的指针(引用) ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {} // 构造函数 }; ``` === "Python" ```python title="" """ 链表结点类 """ class ListNode: def __init__(self, x): self.val = x # 结点值 self.next = None # 指向下一结点的指针(引用) ``` === "Go" ```go title="" /* 链表结点结构体 */ type ListNode struct { Val int // 结点值 Next *ListNode // 指向下一结点的指针(引用) } // NewListNode 构造函数,创建一个新的链表 func NewListNode(val int) *ListNode { return &ListNode{ Val: val, Next: nil, } } ``` === "JavaScript" ```javascript title="" /* 链表结点结构体 */ class ListNode { val; next; constructor(val, next) { this.val = (val === undefined ? 0 : val); // 结点值 this.next = (next === undefined ? null : next); // 指向下一结点的引用 } } ``` === "TypeScript" ```typescript title="" /* 链表结点结构体 */ class ListNode { val: number; next: ListNode | null; constructor(val?: number, next?: ListNode | null) { this.val = val === undefined ? 0 : val; // 结点值 this.next = next === undefined ? null : next; // 指向下一结点的引用 } } ``` === "C" ```c title="" ``` === "C#" ```csharp title="" /* 链表结点类 */ class ListNode { int val; // 结点值 ListNode next; // 指向下一结点的引用 ListNode(int x) => val = x; //构造函数 } ``` === "Swift" ```swift title="" /* 链表结点类 */ class ListNode { var val: Int // 结点值 var next: ListNode? // 指向下一结点的指针(引用) init(x: Int) { // 构造函数 val = x } } ``` === "Zig" ```zig title="" // 链表结点类 pub fn ListNode(comptime T: type) type { return struct { const Self = @This(); val: T = 0, // 结点值 next: ?*Self = null, // 指向下一结点的指针(引用) // 构造函数 pub fn init(self: *Self, x: i32) void { self.val = x; self.next = null; } }; } ``` **尾结点指向什么?** 我们一般将链表的最后一个结点称为「尾结点」,其指向的是「空」,在 Java / C++ / Python 中分别记为 `null` / `nullptr` / `None` 。在不引起歧义下,本书都使用 `null` 来表示空。 **链表初始化方法**。建立链表分为两步,第一步是初始化各个结点对象,第二步是构建引用指向关系。完成后,即可以从链表的首个结点(即头结点)出发,访问其余所有的结点。 !!! tip 我们通常将头结点当作链表的代称,例如头结点 `head` 和链表 `head` 实际上是同义的。 === "Java" ```java title="linked_list.java" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 ListNode n0 = new ListNode(1); ListNode n1 = new ListNode(3); ListNode n2 = new ListNode(2); ListNode n3 = new ListNode(5); ListNode n4 = new ListNode(4); // 构建引用指向 n0.next = n1; n1.next = n2; n2.next = n3; n3.next = n4; ``` === "C++" ```cpp title="linked_list.cpp" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 ListNode* n0 = new ListNode(1); ListNode* n1 = new ListNode(3); ListNode* n2 = new ListNode(2); ListNode* n3 = new ListNode(5); ListNode* n4 = new ListNode(4); // 构建引用指向 n0->next = n1; n1->next = n2; n2->next = n3; n3->next = n4; ``` === "Python" ```python title="linked_list.py" """ 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 """ # 初始化各个结点 n0 = ListNode(1) n1 = ListNode(3) n2 = ListNode(2) n3 = ListNode(5) n4 = ListNode(4) # 构建引用指向 n0.next = n1 n1.next = n2 n2.next = n3 n3.next = n4 ``` === "Go" ```go title="linked_list.go" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 n0 := NewListNode(1) n1 := NewListNode(3) n2 := NewListNode(2) n3 := NewListNode(5) n4 := NewListNode(4) // 构建引用指向 n0.Next = n1 n1.Next = n2 n2.Next = n3 n3.Next = n4 ``` === "JavaScript" ```javascript title="linked_list.js" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 const n0 = new ListNode(1); const n1 = new ListNode(3); const n2 = new ListNode(2); const n3 = new ListNode(5); const n4 = new ListNode(4); // 构建引用指向 n0.next = n1; n1.next = n2; n2.next = n3; n3.next = n4; ``` === "TypeScript" ```typescript title="linked_list.ts" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 const n0 = new ListNode(1); const n1 = new ListNode(3); const n2 = new ListNode(2); const n3 = new ListNode(5); const n4 = new ListNode(4); // 构建引用指向 n0.next = n1; n1.next = n2; n2.next = n3; n3.next = n4; ``` === "C" ```c title="linked_list.c" ``` === "C#" ```csharp title="linked_list.cs" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 ListNode n0 = new ListNode(1); ListNode n1 = new ListNode(3); ListNode n2 = new ListNode(2); ListNode n3 = new ListNode(5); ListNode n4 = new ListNode(4); // 构建引用指向 n0.next = n1; n1.next = n2; n2.next = n3; n3.next = n4; ``` === "Swift" ```swift title="linked_list.swift" /* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */ // 初始化各个结点 let n0 = ListNode(x: 1) let n1 = ListNode(x: 3) let n2 = ListNode(x: 2) let n3 = ListNode(x: 5) let n4 = ListNode(x: 4) // 构建引用指向 n0.next = n1 n1.next = n2 n2.next = n3 n3.next = n4 ``` === "Zig" ```zig title="linked_list.zig" // 初始化链表 // 初始化各个结点 var n0 = inc.ListNode(i32){.val = 1}; var n1 = inc.ListNode(i32){.val = 3}; var n2 = inc.ListNode(i32){.val = 2}; var n3 = inc.ListNode(i32){.val = 5}; var n4 = inc.ListNode(i32){.val = 4}; // 构建引用指向 n0.next = &n1; n1.next = &n2; n2.next = &n3; n3.next = &n4; ``` ## 4.2.1.   链表优点 **在链表中,插入与删除结点的操作效率高**。例如,如果想在链表中间的两个结点 `A` , `B` 之间插入一个新结点 `P` ,我们只需要改变两个结点指针即可,时间复杂度为 $O(1)$ ,相比数组的插入操作高效很多。在链表中删除某个结点也很方便,只需要改变一个结点指针即可。 ![linkedlist_insert_remove_node](linked_list.assets/linkedlist_insert_remove_node.png)

Fig. 在链表中插入与删除结点

=== "Java" ```java title="linked_list.java" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ void insert(ListNode n0, ListNode P) { ListNode n1 = n0.next; n0.next = P; P.next = n1; } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ void remove(ListNode n0) { if (n0.next == null) return; // n0 -> P -> n1 ListNode P = n0.next; ListNode n1 = P.next; n0.next = n1; } ``` === "C++" ```cpp title="linked_list.cpp" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ void insert(ListNode* n0, ListNode* P) { ListNode* n1 = n0->next; n0->next = P; P->next = n1; } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ void remove(ListNode* n0) { if (n0->next == nullptr) return; // n0 -> P -> n1 ListNode* P = n0->next; ListNode* n1 = P->next; n0->next = n1; // 释放内存 delete P; } ``` === "Python" ```python title="linked_list.py" """ 在链表的结点 n0 之后插入结点 P """ def insert(n0, P): n1 = n0.next n0.next = P P.next = n1 """ 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 """ def remove(n0): if not n0.next: return # n0 -> P -> n1 P = n0.next n1 = P.next n0.next = n1 ``` === "Go" ```go title="linked_list.go" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ func insertNode(n0 *ListNode, P *ListNode) { n1 := n0.Next n0.Next = P P.Next = n1 } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ func removeNode(n0 *ListNode) { if n0.Next == nil { return } // n0 -> P -> n1 P := n0.Next n1 := P.Next n0.Next = n1 } ``` === "JavaScript" ```javascript title="linked_list.js" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ function insert(n0, P) { const n1 = n0.next; n0.next = P; P.next = n1; } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ function remove(n0) { if (!n0.next) return; // n0 -> P -> n1 const P = n0.next; const n1 = P.next; n0.next = n1; } ``` === "TypeScript" ```typescript title="linked_list.ts" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ function insert(n0: ListNode, P: ListNode): void { const n1 = n0.next; n0.next = P; P.next = n1; } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ function remove(n0: ListNode): void { if (!n0.next) { return; } // n0 -> P -> n1 const P = n0.next; const n1 = P.next; n0.next = n1; } ``` === "C" ```c title="linked_list.c" [class]{}-[func]{insertNode} [class]{}-[func]{removeNode} ``` === "C#" ```csharp title="linked_list.cs" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ void insert(ListNode n0, ListNode P) { ListNode? n1 = n0.next; n0.next = P; P.next = n1; } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ void remove(ListNode n0) { if (n0.next == null) return; // n0 -> P -> n1 ListNode P = n0.next; ListNode? n1 = P.next; n0.next = n1; } ``` === "Swift" ```swift title="linked_list.swift" /* 在链表的结点 n0 之后插入结点 P */ func insert(n0: ListNode, P: ListNode) { let n1 = n0.next n0.next = P P.next = n1 } /* 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 */ func remove(n0: ListNode) { if n0.next == nil { return } // n0 -> P -> n1 let P = n0.next let n1 = P?.next n0.next = n1 P?.next = nil } ``` === "Zig" ```zig title="linked_list.zig" // 在链表的结点 n0 之后插入结点 P fn insert(n0: ?*inc.ListNode(i32), P: ?*inc.ListNode(i32)) void { var n1 = n0.?.next; n0.?.next = P; P.?.next = n1; } // 删除链表的结点 n0 之后的首个结点 fn remove(n0: ?*inc.ListNode(i32)) void { if (n0.?.next == null) return; // n0 -> P -> n1 var P = n0.?.next; var n1 = P.?.next; n0.?.next = n1; } ``` ## 4.2.2.   链表缺点 **链表访问结点效率低**。上节提到,数组可以在 $O(1)$ 时间下访问任意元素,但链表无法直接访问任意结点。这是因为计算机需要从头结点出发,一个一个地向后遍历到目标结点。例如,倘若想要访问链表索引为 `index` (即第 `index + 1` 个)的结点,那么需要 `index` 次访问操作。 === "Java" ```java title="linked_list.java" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ ListNode access(ListNode head, int index) { for (int i = 0; i < index; i++) { if (head == null) return null; head = head.next; } return head; } ``` === "C++" ```cpp title="linked_list.cpp" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ ListNode* access(ListNode* head, int index) { for (int i = 0; i < index; i++) { if (head == nullptr) return nullptr; head = head->next; } return head; } ``` === "Python" ```python title="linked_list.py" """ 访问链表中索引为 index 的结点 """ def access(head, index): for _ in range(index): if not head: return None head = head.next return head ``` === "Go" ```go title="linked_list.go" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ func access(head *ListNode, index int) *ListNode { for i := 0; i < index; i++ { if head == nil { return nil } head = head.Next } return head } ``` === "JavaScript" ```javascript title="linked_list.js" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ function access(head, index) { for (let i = 0; i < index; i++) { if (!head) { return null; } head = head.next; } return head; } ``` === "TypeScript" ```typescript title="linked_list.ts" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ function access(head: ListNode | null, index: number): ListNode | null { for (let i = 0; i < index; i++) { if (!head) { return null; } head = head.next; } return head; } ``` === "C" ```c title="linked_list.c" [class]{}-[func]{access} ``` === "C#" ```csharp title="linked_list.cs" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ ListNode? access(ListNode head, int index) { for (int i = 0; i < index; i++) { if (head == null) return null; head = head.next; } return head; } ``` === "Swift" ```swift title="linked_list.swift" /* 访问链表中索引为 index 的结点 */ func access(head: ListNode, index: Int) -> ListNode? { var head: ListNode? = head for _ in 0 ..< index { if head == nil { return nil } head = head?.next } return head } ``` === "Zig" ```zig title="linked_list.zig" // 访问链表中索引为 index 的结点 fn access(node: ?*inc.ListNode(i32), index: i32) ?*inc.ListNode(i32) { var head = node; var i: i32 = 0; while (i < index) : (i += 1) { head = head.?.next; if (head == null) return null; } return head; } ``` **链表的内存占用多**。链表以结点为单位,每个结点除了保存值外,还需额外保存指针(引用)。这意味着同样数据量下,链表比数组需要占用更多内存空间。 ## 4.2.3.   链表常用操作 **遍历链表查找**。遍历链表,查找链表内值为 `target` 的结点,输出结点在链表中的索引。 === "Java" ```java title="linked_list.java" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ int find(ListNode head, int target) { int index = 0; while (head != null) { if (head.val == target) return index; head = head.next; index++; } return -1; } ``` === "C++" ```cpp title="linked_list.cpp" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ int find(ListNode* head, int target) { int index = 0; while (head != nullptr) { if (head->val == target) return index; head = head->next; index++; } return -1; } ``` === "Python" ```python title="linked_list.py" """ 在链表中查找值为 target 的首个结点 """ def find(head, target): index = 0 while head: if head.val == target: return index head = head.next index += 1 return -1 ``` === "Go" ```go title="linked_list.go" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ func findNode(head *ListNode, target int) int { index := 0 for head != nil { if head.Val == target { return index } head = head.Next index++ } return -1 } ``` === "JavaScript" ```javascript title="linked_list.js" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ function find(head, target) { let index = 0; while (head !== null) { if (head.val === target) { return index; } head = head.next; index += 1; } return -1; } ``` === "TypeScript" ```typescript title="linked_list.ts" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ function find(head: ListNode | null, target: number): number { let index = 0; while (head !== null) { if (head.val === target) { return index; } head = head.next; index += 1; } return -1; } ``` === "C" ```c title="linked_list.c" [class]{}-[func]{findNode} ``` === "C#" ```csharp title="linked_list.cs" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ int find(ListNode head, int target) { int index = 0; while (head != null) { if (head.val == target) return index; head = head.next; index++; } return -1; } ``` === "Swift" ```swift title="linked_list.swift" /* 在链表中查找值为 target 的首个结点 */ func find(head: ListNode, target: Int) -> Int { var head: ListNode? = head var index = 0 while head != nil { if head?.val == target { return index } head = head?.next index += 1 } return -1 } ``` === "Zig" ```zig title="linked_list.zig" // 在链表中查找值为 target 的首个结点 fn find(node: ?*inc.ListNode(i32), target: i32) i32 { var head = node; var index: i32 = 0; while (head != null) { if (head.?.val == target) return index; head = head.?.next; index += 1; } return -1; } ``` ## 4.2.4.   常见链表类型 **单向链表**。即上述介绍的普通链表。单向链表的结点有「值」和指向下一结点的「指针(引用)」两项数据。我们将首个结点称为头结点,尾结点指向 `null` 。 **环形链表**。如果我们令单向链表的尾结点指向头结点(即首尾相接),则得到一个环形链表。在环形链表中,我们可以将任意结点看作是头结点。 **双向链表**。单向链表仅记录了一个方向的指针(引用),在双向链表的结点定义中,同时有指向下一结点(后继结点)和上一结点(前驱结点)的「指针(引用)」。双向链表相对于单向链表更加灵活,即可以朝两个方向遍历链表,但也需要占用更多的内存空间。 === "Java" ```java title="" /* 双向链表结点类 */ class ListNode { int val; // 结点值 ListNode next; // 指向后继结点的指针(引用) ListNode prev; // 指向前驱结点的指针(引用) ListNode(int x) { val = x; } // 构造函数 } ``` === "C++" ```cpp title="" /* 链表结点结构体 */ struct ListNode { int val; // 结点值 ListNode *next; // 指向后继结点的指针(引用) ListNode *prev; // 指向前驱结点的指针(引用) ListNode(int x) : val(x), next(nullptr), prev(nullptr) {} // 构造函数 }; ``` === "Python" ```python title="" """ 双向链表结点类 """ class ListNode: def __init__(self, x): self.val = x # 结点值 self.next = None # 指向后继结点的指针(引用) self.prev = None # 指向前驱结点的指针(引用) ``` === "Go" ```go title="" /* 双向链表结点结构体 */ type DoublyListNode struct { Val int // 结点值 Next *DoublyListNode // 指向后继结点的指针(引用) Prev *DoublyListNode // 指向前驱结点的指针(引用) } // NewDoublyListNode 初始化 func NewDoublyListNode(val int) *DoublyListNode { return &DoublyListNode{ Val: val, Next: nil, Prev: nil, } } ``` === "JavaScript" ```javascript title="" /* 双向链表结点类 */ class ListNode { val; next; prev; constructor(val, next) { this.val = val === undefined ? 0 : val; // 结点值 this.next = next === undefined ? null : next; // 指向后继结点的指针(引用) this.prev = prev === undefined ? null : prev; // 指向前驱结点的指针(引用) } } ``` === "TypeScript" ```typescript title="" /* 双向链表结点类 */ class ListNode { val: number; next: ListNode | null; prev: ListNode | null; constructor(val?: number, next?: ListNode | null, prev?: ListNode | null) { this.val = val === undefined ? 0 : val; // 结点值 this.next = next === undefined ? null : next; // 指向后继结点的指针(引用) this.prev = prev === undefined ? null : prev; // 指向前驱结点的指针(引用) } } ``` === "C" ```c title="" ``` === "C#" ```csharp title="" /* 双向链表结点类 */ class ListNode { int val; // 结点值 ListNode next; // 指向后继结点的指针(引用) ListNode prev; // 指向前驱结点的指针(引用) ListNode(int x) => val = x; // 构造函数 } ``` === "Swift" ```swift title="" /* 双向链表结点类 */ class ListNode { var val: Int // 结点值 var next: ListNode? // 指向后继结点的指针(引用) var prev: ListNode? // 指向前驱结点的指针(引用) init(x: Int) { // 构造函数 val = x } } ``` === "Zig" ```zig title="" // 双向链表结点类 pub fn ListNode(comptime T: type) type { return struct { const Self = @This(); val: T = 0, // 结点值 next: ?*Self = null, // 指向后继结点的指针(引用) prev: ?*Self = null, // 指向前驱结点的指针(引用) // 构造函数 pub fn init(self: *Self, x: i32) void { self.val = x; self.next = null; self.prev = null; } }; } ``` ![linkedlist_common_types](linked_list.assets/linkedlist_common_types.png)

Fig. 常见链表类型