4.2 链表¶

内存空间是所有程序的公共资源，在一个复杂的系统运行环境下，空闲的内存空间可能散落在内存各处。我们知道，存储数组的内存空间必须是连续的，而当数组非常大时，内存可能无法提供如此大的连续空间。此时链表的灵活性优势就体现出来了。

「链表 linked list」是一种线性数据结构，其中的每个元素都是一个节点对象，各个节点通过“引用”相连接。引用记录了下一个节点的内存地址，通过它可以从当前节点访问到下一个节点。

链表的设计使得各个节点可以被分散存储在内存各处，它们的内存地址是无须连续的。

图 4-5 链表定义与存储方式

观察图 4-5 ，链表的组成单位是「节点 node」对象。每个节点都包含两项数据：节点的“值”和指向下一节点的“引用”。

链表的首个节点被称为“头节点”，最后一个节点被称为“尾节点”。
尾节点指向的是“空”，它在 Java、C++ 和 Python 中分别被记为 \(\text{null}\)、\(\text{nullptr}\) 和 \(\text{None}\) 。
在 C、C++、Go 和 Rust 等支持指针的语言中，上述的“引用”应被替换为“指针”。

如以下代码所示，链表节点 ListNode 除了包含值，还需额外保存一个引用（指针）。因此在相同数据量下，链表比数组占用更多的内存空间。

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

class ListNode:
    """链表节点类"""
    def __init__(self, val: int):
        self.val: int = val               # 节点值
        self.next: ListNode | None = None # 指向下一节点的引用

/* 链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode *next;  // 指向下一节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}  // 构造函数
};

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向下一节点的引用
    ListNode(int x) { val = x; }  // 构造函数
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode next;   // 指向下一节点的引用
    ListNode(int x) => val = x;  //构造函数
}

/* 链表节点结构体 */
type ListNode struct {
    Val  int       // 节点值
    Next *ListNode // 指向下一节点的指针
}

// NewListNode 构造函数，创建一个新的链表
func NewListNode(val int) *ListNode {
    return &ListNode{
        Val:  val,
        Next: nil,
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    var val: Int // 节点值
    var next: ListNode? // 指向下一节点的引用

    init(x: Int) { // 构造函数
        val = x
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    val;
    next;
    constructor(val, next) {
        this.val = (val === undefined ? 0 : val);       // 节点值
        this.next = (next === undefined ? null : next); // 指向下一节点的引用
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    val: number;
    next: ListNode | null;
    constructor(val?: number, next?: ListNode | null) {
        this.val = val === undefined ? 0 : val;        // 节点值
        this.next = next === undefined ? null : next;  // 指向下一节点的引用
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
  int val; // 节点值
  ListNode? next; // 指向下一节点的引用
  ListNode(this.val, [this.next]); // 构造函数
}

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;
/* 链表节点类 */
#[derive(Debug)]
struct ListNode {
    val: i32, // 节点值
    next: Option<Rc<RefCell<ListNode>>>, // 指向下一节点的指针
}

/* 链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;               // 节点值
    struct ListNode *next; // 指向下一节点的指针
};

typedef struct ListNode ListNode;

/* 构造函数 */
ListNode *newListNode(int val) {
    ListNode *node, *next;
    node = (ListNode *) malloc(sizeof(ListNode));
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    return node;
}

// 链表节点类
pub fn ListNode(comptime T: type) type {
    return struct {
        const Self = @This();

        val: T = 0, // 节点值
        next: ?*Self = null, // 指向下一节点的指针

        // 构造函数
        pub fn init(self: *Self, x: i32) void {
            self.val = x;
            self.next = null;
        }
    };
}

4.2.1 链表常用操作¶

1. 初始化链表¶

建立链表分为两步，第一步是初始化各个节点对象，第二步是构建引用指向关系。初始化完成后，我们就可以从链表的头节点出发，通过引用指向 next 依次访问所有节点。

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

linked_list.py

# 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4
# 初始化各个节点
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

linked_list.cpp

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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;

linked_list.java

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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;

linked_list.cs

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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;

linked_list.go

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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

linked_list.swift

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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

linked_list.js

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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;

linked_list.ts

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
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;

linked_list.dart

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */\
// 初始化各个节点
ListNode n0 = ListNode(1);
ListNode n1 = ListNode(3);
ListNode n2 = ListNode(2);
ListNode n3 = ListNode(5);
ListNode n4 = ListNode(4);
// 构建引用指向
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

linked_list.rs

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
let n0 = Rc::new(RefCell::new(ListNode { val: 1, next: None }));
let n1 = Rc::new(RefCell::new(ListNode { val: 3, next: None }));
let n2 = Rc::new(RefCell::new(ListNode { val: 2, next: None }));
let n3 = Rc::new(RefCell::new(ListNode { val: 5, next: None }));
let n4 = Rc::new(RefCell::new(ListNode { val: 4, next: None }));

// 构建引用指向
n0.borrow_mut().next = Some(n1.clone());
n1.borrow_mut().next = Some(n2.clone());
n2.borrow_mut().next = Some(n3.clone());
n3.borrow_mut().next = Some(n4.clone());

linked_list.c

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
ListNode* n0 = newListNode(1);
ListNode* n1 = newListNode(3);
ListNode* n2 = newListNode(2);
ListNode* n3 = newListNode(5);
ListNode* n4 = newListNode(4);
// 构建引用指向
n0->next = n1;
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;

linked_list.zig

// 初始化链表
// 初始化各个节点
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;

数组整体是一个变量，比如数组 nums 包含元素 nums[0] 和 nums[1] 等，而链表是由多个独立的节点对象组成的。我们通常将头节点当作链表的代称，比如以上代码中的链表可被记做链表 n0 。

2. 插入节点¶

在链表中插入节点非常容易。如图 4-6 所示，假设我们想在相邻的两个节点 n0 和 n1 之间插入一个新节点 P ，则只需要改变两个节点引用（指针）即可，时间复杂度为 \(O(1)\) 。

相比之下，在数组中插入元素的时间复杂度为 \(O(n)\) ，在大数据量下的效率较低。

图 4-6 链表插入节点示例

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

linked_list.py

def insert(n0: ListNode, P: ListNode):
    """在链表的节点 n0 之后插入节点 P"""
    n1 = n0.next
    P.next = n1
    n0.next = P

linked_list.cpp

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode *n0, ListNode *P) {
    ListNode *n1 = n0->next;
    P->next = n1;
    n0->next = P;
}

linked_list.java

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode n0, ListNode P) {
    ListNode n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.cs

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode n0, ListNode P) {
    ListNode? n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.go

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
func insertNode(n0 *ListNode, P *ListNode) {
    n1 := n0.Next
    P.Next = n1
    n0.Next = P
}

linked_list.swift

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
func insert(n0: ListNode, P: ListNode) {
    let n1 = n0.next
    P.next = n1
    n0.next = P
}

linked_list.js

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
function insert(n0, P) {
    const n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.ts

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
function insert(n0: ListNode, P: ListNode): void {
    const n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.dart

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode n0, ListNode P) {
  ListNode? n1 = n0.next;
  P.next = n1;
  n0.next = P;
}

linked_list.rs

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
#[allow(non_snake_case)]
pub fn insert<T>(n0: &Rc<RefCell<ListNode<T>>>, P: Rc<RefCell<ListNode<T>>>) {
    let n1 =  n0.borrow_mut().next.take();
    P.borrow_mut().next = n1;
    n0.borrow_mut().next = Some(P);
}

linked_list.c

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode *n0, ListNode *P) {
    ListNode *n1 = n0->next;
    P->next = n1;
    n0->next = P;
}

linked_list.zig

// 在链表的节点 n0 之后插入节点 P
fn insert(n0: ?*inc.ListNode(i32), P: ?*inc.ListNode(i32)) void {
    var n1 = n0.?.next;
    P.?.next = n1;
    n0.?.next = P;
}

3. 删除节点¶

如图 4-7 所示，在链表中删除节点也非常方便，只需改变一个节点的引用（指针）即可。

请注意，尽管在删除操作完成后节点 P 仍然指向 n1 ，但实际上遍历此链表已经无法访问到 P ，这意味着 P 已经不再属于该链表了。

图 4-7 链表删除节点

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

linked_list.py

def remove(n0: ListNode):
    """删除链表的节点 n0 之后的首个节点"""
    if not n0.next:
        return
    # n0 -> P -> n1
    P = n0.next
    n1 = P.next
    n0.next = n1

linked_list.cpp

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
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;
}

linked_list.java

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode n0) {
    if (n0.next == null)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode P = n0.next;
    ListNode n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.cs

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode n0) {
    if (n0.next == null)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode P = n0.next;
    ListNode? n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.go

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
func removeNode(n0 *ListNode) {
    if n0.Next == nil {
        return
    }
    // n0 -> P -> n1
    P := n0.Next
    n1 := P.Next
    n0.Next = n1
}

linked_list.swift

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
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
}

linked_list.js

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
function remove(n0) {
    if (!n0.next) return;
    // n0 -> P -> n1
    const P = n0.next;
    const n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.ts

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
function remove(n0: ListNode): void {
    if (!n0.next) {
        return;
    }
    // n0 -> P -> n1
    const P = n0.next;
    const n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.dart

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode n0) {
  if (n0.next == null) return;
  // n0 -> P -> n1
  ListNode P = n0.next!;
  ListNode? n1 = P.next;
  n0.next = n1;
}

linked_list.rs

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
#[allow(non_snake_case)]
pub fn remove<T>(n0: &Rc<RefCell<ListNode<T>>>) {
    if n0.borrow().next.is_none() {return};
    // n0 -> P -> n1
    let P = n0.borrow_mut().next.take();
    if let Some(node) = P {
        let n1 = node.borrow_mut().next.take();
        n0.borrow_mut().next = n1;
    }
}

linked_list.c

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
// 注意：stdio.h 占用了 remove 关键词
void removeNode(ListNode *n0) {
    if (!n0->next)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode *P = n0->next;
    ListNode *n1 = P->next;
    n0->next = n1;
    // 释放内存
    free(P);
}

linked_list.zig

// 删除链表的节点 n0 之后的首个节点
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. 访问节点¶

在链表访问节点的效率较低。如上节所述，我们可以在 \(O(1)\) 时间下访问数组中的任意元素。链表则不然，程序需要从头节点出发，逐个向后遍历，直至找到目标节点。也就是说，访问链表的第 \(i\) 个节点需要循环 \(i - 1\) 轮，时间复杂度为 \(O(n)\) 。

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

linked_list.py

def access(head: ListNode, index: int) -> ListNode | None:
    """访问链表中索引为 index 的节点"""
    for _ in range(index):
        if not head:
            return None
        head = head.next
    return head

linked_list.cpp

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode *access(ListNode *head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == nullptr)
            return nullptr;
        head = head->next;
    }
    return head;
}

linked_list.java

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode access(ListNode head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == null)
            return null;
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.cs

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode? access(ListNode head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == null)
            return null;
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.go

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
func access(head *ListNode, index int) *ListNode {
    for i := 0; i < index; i++ {
        if head == nil {
            return nil
        }
        head = head.Next
    }
    return head
}

linked_list.swift

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
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
}

linked_list.js

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
function access(head, index) {
    for (let i = 0; i < index; i++) {
        if (!head) {
            return null;
        }
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.ts

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
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;
}

linked_list.dart

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode? access(ListNode? head, int index) {
  for (var i = 0; i < index; i++) {
    if (head == null) return null;
    head = head.next;
  }
  return head;
}

linked_list.rs

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
pub fn access<T>(head: Rc<RefCell<ListNode<T>>>, index: i32) -> Rc<RefCell<ListNode<T>>> {
    if index <= 0 {return head};
    if let Some(node) = &head.borrow_mut().next {
        return access(node.clone(), index - 1);
    }
    return head;
}

linked_list.c

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode *access(ListNode *head, int index) {
    while (head && head->next && index) {
        head = head->next;
        index--;
    }
    return head;
}

linked_list.zig

// 访问链表中索引为 index 的节点
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;
}

5. 查找节点¶

遍历链表，查找链表内值为 target 的节点，输出节点在链表中的索引。此过程也属于线性查找。

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

linked_list.py

def find(head: ListNode, target: int) -> int:
    """在链表中查找值为 target 的首个节点"""
    index = 0
    while head:
        if head.val == target:
            return index
        head = head.next
        index += 1
    return -1

linked_list.cpp

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode *head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != nullptr) {
        if (head->val == target)
            return index;
        head = head->next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.java

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != null) {
        if (head.val == target)
            return index;
        head = head.next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.cs

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != null) {
        if (head.val == target)
            return index;
        head = head.next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.go

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
func findNode(head *ListNode, target int) int {
    index := 0
    for head != nil {
        if head.Val == target {
            return index
        }
        head = head.Next
        index++
    }
    return -1
}

linked_list.swift

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
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
}

linked_list.js

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
function find(head, target) {
    let index = 0;
    while (head !== null) {
        if (head.val === target) {
            return index;
        }
        head = head.next;
        index += 1;
    }
    return -1;
}

linked_list.ts

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
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;
}

linked_list.dart

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode? head, int target) {
  int index = 0;
  while (head != null) {
    if (head.val == target) {
      return index;
    }
    head = head.next;
    index++;
  }
  return -1;
}

linked_list.rs

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
pub fn find<T: PartialEq>(head: Rc<RefCell<ListNode<T>>>, target: T, index: i32) -> i32 {
    if head.borrow().val == target {return index};
    if let Some(node) = &head.borrow_mut().next {
        return find(node.clone(), target, index + 1);
    }
    return -1;
}

linked_list.c

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode *head, int target) {
    int index = 0;
    while (head) {
        if (head->val == target)
            return index;
        head = head->next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.zig

// 在链表中查找值为 target 的首个节点
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;
}

4.2.2 数组 VS 链表¶

表 4-1 总结对比了数组和链表的各项特点与操作效率。由于它们采用两种相反的存储策略，因此各种性质和操作效率也呈现对立的特点。

表 4-1 数组与链表的效率对比

	数组	链表
存储方式	连续内存空间	分散内存空间
缓存局部性	友好	不友好
容量扩展	长度不可变	可灵活扩展
内存效率	占用内存少、浪费部分空间	占用内存多
访问元素	\(O(1)\)	\(O(n)\)
添加元素	\(O(n)\)	\(O(1)\)
删除元素	\(O(n)\)	\(O(1)\)

4.2.3 常见链表类型¶

如图 4-8 所示，常见的链表类型包括三种。

单向链表：即上述介绍的普通链表。单向链表的节点包含值和指向下一节点的引用两项数据。我们将首个节点称为头节点，将最后一个节点称为尾节点，尾节点指向空 \(\text{None}\) 。
环形链表：如果我们令单向链表的尾节点指向头节点（即首尾相接），则得到一个环形链表。在环形链表中，任意节点都可以视作头节点。
双向链表：与单向链表相比，双向链表记录了两个方向的引用。双向链表的节点定义同时包含指向后继节点（下一个节点）和前驱节点（上一个节点）的引用（指针）。相较于单向链表，双向链表更具灵活性，可以朝两个方向遍历链表，但相应地也需要占用更多的内存空间。

PythonC++JavaC#GoSwiftJSTSDartRustCZig

class ListNode:
    """双向链表节点类"""
    def __init__(self, val: int):
        self.val: int = val                # 节点值
        self.next: ListNode | None = None  # 指向后继节点的引用
        self.prev: ListNode | None = None  # 指向前驱节点的引用

/* 双向链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode *next;  // 指向后继节点的指针
    ListNode *prev;  // 指向前驱节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr), prev(nullptr) {}  // 构造函数
};

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向后继节点的引用
    ListNode prev;  // 指向前驱节点的引用
    ListNode(int x) { val = x; }  // 构造函数
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向后继节点的引用
    ListNode prev;  // 指向前驱节点的引用
    ListNode(int x) => val = x;  // 构造函数
}

/* 双向链表节点结构体 */
type DoublyListNode struct {
    Val  int             // 节点值
    Next *DoublyListNode // 指向后继节点的指针
    Prev *DoublyListNode // 指向前驱节点的指针
}

// NewDoublyListNode 初始化
func NewDoublyListNode(val int) *DoublyListNode {
    return &DoublyListNode{
        Val:  val,
        Next: nil,
        Prev: nil,
    }
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    var val: Int // 节点值
    var next: ListNode? // 指向后继节点的引用
    var prev: ListNode? // 指向前驱节点的引用

    init(x: Int) { // 构造函数
        val = x
    }
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    val;
    next;
    prev;
    constructor(val, next, prev) {
        this.val = val  ===  undefined ? 0 : val;        // 节点值
        this.next = next  ===  undefined ? null : next;  // 指向后继节点的引用
        this.prev = prev  ===  undefined ? null : prev;  // 指向前驱节点的引用
    }
}

/* 双向链表节点类 */
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;        // 节点值
        this.next = next  ===  undefined ? null : next;  // 指向后继节点的引用
        this.prev = prev  ===  undefined ? null : prev;  // 指向前驱节点的引用
    }
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向后继节点的引用
    ListNode prev;  // 指向前驱节点的引用
    ListNode(this.val, [this.next, this.prev]);  // 构造函数
}

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

/* 双向链表节点类型 */
#[derive(Debug)]
struct ListNode {
    val: i32, // 节点值
    next: Option<Rc<RefCell<ListNode>>>, // 指向后继节点的指针
    prev: Option<Rc<RefCell<ListNode>>>, // 指向前驱节点的指针
}

/* 构造函数 */
impl ListNode {
    fn new(val: i32) -> Self {
        ListNode {
            val,
            next: None,
            prev: None,
        }
    }
}

/* 双向链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;               // 节点值
    struct ListNode *next; // 指向后继节点的指针
    struct ListNode *prev; // 指向前驱节点的指针
};

typedef struct ListNode ListNode;

/* 构造函数 */
ListNode *newListNode(int val) {
    ListNode *node, *next;
    node = (ListNode *) malloc(sizeof(ListNode));
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    node->prev = NULL;
    return node;
}

// 双向链表节点类
pub fn ListNode(comptime T: type) type {
    return struct {
        const Self = @This();

        val: T = 0, // 节点值
        next: ?*Self = null, // 指向后继节点的指针
        prev: ?*Self = null, // 指向前驱节点的指针

        // 构造函数
        pub fn init(self: *Self, x: i32) void {
            self.val = x;
            self.next = null;
            self.prev = null;
        }
    };
}

图 4-8 常见链表种类

4.2.4 链表典型应用¶

单向链表通常用于实现栈、队列、哈希表和图等数据结构。

栈与队列：当插入和删除操作都在链表的一端进行时，它表现出先进后出的的特性，对应栈；当插入操作在链表的一端进行，删除操作在链表的另一端进行，它表现出先进先出的特性，对应队列。
哈希表：链地址法是解决哈希冲突的主流方案之一，在该方案中，所有冲突的元素都会被放到一个链表中。
图：邻接表是表示图的一种常用方式，在其中，图的每个顶点都与一个链表相关联，链表中的每个元素都代表与该顶点相连的其他顶点。

双向链表常被用于需要快速查找前一个和下一个元素的场景。

高级数据结构：比如在红黑树、B 树中，我们需要访问节点的父节点，这可以通过在节点中保存一个指向父节点的引用来实现，类似于双向链表。
浏览器历史：在网页浏览器中，当用户点击前进或后退按钮时，浏览器需要知道用户访问过的前一个和后一个网页。双向链表的特性使得这种操作变得简单。
LRU 算法：在缓存淘汰算法（LRU）中，我们需要快速找到最近最少使用的数据，以及支持快速地添加和删除节点。这时候使用双向链表就非常合适。

循环链表常被用于需要周期性操作的场景，比如操作系统的资源调度。

时间片轮转调度算法：在操作系统中，时间片轮转调度算法是一种常见的 CPU 调度算法，它需要对一组进程进行循环。每个进程被赋予一个时间片，当时间片用完时，CPU 将切换到下一个进程。这种循环的操作就可以通过循环链表来实现。
数据缓冲区：在某些数据缓冲区的实现中，也可能会使用到循环链表。比如在音频、视频播放器中，数据流可能会被分成多个缓冲块并放入一个循环链表，以便实现无缝播放。

4.2 链表¶

4.2.1 链表常用操作¶

1. 初始化链表¶

2. 插入节点¶

3. 删除节点¶

4. 访问节点¶

5. 查找节点¶

4.2.2 数组 VS 链表¶

4.2.3 常见链表类型¶

4.2.4 链表典型应用¶

欢迎在评论区留下你的见解、疑惑或建议