链表¶

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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。

链表定义与存储方式

观察上图，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。

C

/* 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;
}

链表常用操作¶

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。

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;

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 。

插入节点¶

在链表中插入节点非常容易。如下图所示，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。

链表插入节点示例

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;
}

删除节点¶

如下图所示，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。

链表删除节点

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 removeItem(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);
}

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 \(O(n)\) 。

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;
}

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。

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;
}

数组 VS 链表¶

下表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	\(O(n)\)	\(O(1)\)

常见链表类型¶

如下图所示，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。

C

/* 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;
}

常见链表种类

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。

没有指针的语言：游标法¶

Alt text

游标法是一种在没有指针的语言中实现链表的方法。在游标法中，我们使用一个数组来模拟链表的节点，数组的索引代表节点的引用。比如在上图中，元素 b 的Next= 9 代表下一个节点的索引为 9 ，即 e 。