【算法之旅】基础数据结构之链表(二)

简介: 【算法之旅】基础数据结构之链表(二)

三、单向链表(带哨兵)


观察之前单向链表的实现,发现每个方法内几乎都有判断是不是 head 这样的代码,能不能简化呢?


用一个不参与数据存储的特殊 Node 作为哨兵,它一般被称为哨兵或哑元,拥有哨兵节点的链表称为带头链表


public class SinglyLinkedListSentinel {
    // ...
    private Node head = new Node(Integer.MIN_VALUE, null);
}


具体存什么值无所谓,因为不会用到它的值

加入哨兵节点后,代码会变得比较简单,先看几个工具方法


public class SinglyLinkedListSentinel {
    // ...
    // 根据索引获取节点
    private Node findNode(int index) {
        int i = -1;
        for (Node curr = this.head; curr != null; curr = curr.next, i++) {
            if (i == index) {
                return curr;
            }
        }
        return null;
    }
    // 获取最后一个节点
    private Node findLast() {
        Node curr;
        for (curr = this.head; curr.next != null; ) {
            curr = curr.next;
        }
        return curr;
    }
}



findNode 与之前类似,只是 i 初始值设置为 -1 对应哨兵,实际传入的 index 也是 [ − 1 , ∞ ) [-1, \infty)[−1,∞)

findLast 绝不会返回 null 了,就算没有其它节点,也会返回哨兵作为最后一个节点

这样,代码简化为


public class SinglyLinkedListSentinel {
    // ...
    public void addLast(int value) {
        Node last = findLast();
        /*
        改动前
        if (last == null) {
            this.head = new Node(value, null);
            return;
        }
        */
        last.next = new Node(value, null);
    }
    public void insert(int index, int value) {
        /*
        改动前
        if (index == 0) {
            this.head = new Node(value, this.head);
            return;
        }
        */
        // index 传入 0 时,返回的是哨兵
        Node prev = findNode(index - 1);
        if (prev != null) {
            prev.next = new Node(value, prev.next);
        } else {
            throw illegalIndex(index);
        }
    }
    public void remove(int index) {
        /*
        改动前
        if (index == 0) {
            if (this.head != null) {
                this.head = this.head.next;
                return;
            } else {
                throw illegalIndex(index);
            }
        }
        */
        // index 传入 0 时,返回的是哨兵
        Node prev = findNode(index - 1);
        Node curr;
        if (prev != null && (curr = prev.next) != null) {
            prev.next = curr.next;
        } else {
            throw illegalIndex(index);
        }
    }
    public void addFirst(int value) {
        /*
        改动前
        this.head = new Node(value, this.head);
        */
  this.head.next = new Node(value, this.head.next);
        // 也可以视为 insert 的特例, 即 insert(0, value);
    }
}



对于删除,前面说了【最后一个 if 块对应着至少得两个节点的情况】,现在有了哨兵,就凑足了两个节点


四、双向链表(带哨兵)


public class DoublyLinkedListSentinel implements Iterable<Integer> {
    private final Node head;
    private final Node tail;
    public DoublyLinkedListSentinel() {
        head = new Node(null, 666, null);
        tail = new Node(null, 888, null);
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }
    private Node findNode(int index) {
        int i = -1;
        for (Node p = head; p != tail; p = p.next, i++) {
            if (i == index) {
                return p;
            }
        }
        return null;
    }
    public void addFirst(int value) {
        insert(0, value);
    }
    public void removeFirst() {
        remove(0);
    }
    public void addLast(int value) {
        Node prev = tail.prev;
        Node added = new Node(prev, value, tail);
        prev.next = added;
        tail.prev = added;
    }
    public void removeLast() {
        Node removed = tail.prev;
        if (removed == head) {
            throw illegalIndex(0);
        }
        Node prev = removed.prev;
        prev.next = tail;
        tail.prev = prev;
    }
    public void insert(int index, int value) {
        Node prev = findNode(index - 1);
        if (prev == null) {
            throw illegalIndex(index);
        }
        Node next = prev.next;
        Node inserted = new Node(prev, value, next);
        prev.next = inserted;
        next.prev = inserted;
    }
    public void remove(int index) {
        Node prev = findNode(index - 1);
        if (prev == null) {
            throw illegalIndex(index);
        }
        Node removed = prev.next;
        if (removed == tail) {
            throw illegalIndex(index);
        }
        Node next = removed.next;
        prev.next = next;
        next.prev = prev;
    }
    private IllegalArgumentException illegalIndex(int index) {
        return new IllegalArgumentException(
                String.format("index [%d] 不合法%n", index));
    }
    @Override
    public Iterator<Integer> iterator() {
        return new Iterator<Integer>() {
            Node p = head.next;
            @Override
            public boolean hasNext() {
                return p != tail;
            }
            @Override
            public Integer next() {
                int value = p.value;
                p = p.next;
                return value;
            }
        };
    }
    static class Node {
        Node prev;
        int value;
        Node next;
        public Node(Node prev, int value, Node next) {
            this.prev = prev;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }
}



五、环形链表(带哨兵)


双向环形链表带哨兵,这时哨兵既作为头,也作为尾


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参考实现


public class DoublyLinkedListSentinel implements Iterable<Integer> {
    @Override
    public Iterator<Integer> iterator() {
        return new Iterator<>() {
            Node p = sentinel.next;
            @Override
            public boolean hasNext() {
                return p != sentinel;
            }
            @Override
            public Integer next() {
                int value = p.value;
                p = p.next;
                return value;
            }
        };
    }
    static class Node {
        Node prev;
        int value;
        Node next;
        public Node(Node prev, int value, Node next) {
            this.prev = prev;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }
    private final Node sentinel = new Node(null, -1, null); // 哨兵
    public DoublyLinkedListSentinel() {
        sentinel.next = sentinel;
        sentinel.prev = sentinel;
    }
    /**
     * 添加到第一个
     * @param value 待添加值
     */
    public void addFirst(int value) {
        Node next = sentinel.next;
        Node prev = sentinel;
        Node added = new Node(prev, value, next);
        prev.next = added;
        next.prev = added;
    }
    /**
     * 添加到最后一个
     * @param value 待添加值
     */
    public void addLast(int value) {
        Node prev = sentinel.prev;
        Node next = sentinel;
        Node added = new Node(prev, value, next);
        prev.next = added;
        next.prev = added;
    }
    /**
     * 删除第一个
     */
    public void removeFirst() {
        Node removed = sentinel.next;
        if (removed == sentinel) {
            throw new IllegalArgumentException("非法");
        }
        Node a = sentinel;
        Node b = removed.next;
        a.next = b;
        b.prev = a;
    }
    /**
     * 删除最后一个
     */
    public void removeLast() {
        Node removed = sentinel.prev;
        if (removed == sentinel) {
            throw new IllegalArgumentException("非法");
        }
        Node a = removed.prev;
        Node b = sentinel;
        a.next = b;
        b.prev = a;
    }
    /**
     * 根据值删除节点
     * <p>假定 value 在链表中作为 key, 有唯一性</p>
     * @param value 待删除值
     */
    public void removeByValue(int value) {
        Node removed = findNodeByValue(value);
        if (removed != null) {
            Node prev = removed.prev;
            Node next = removed.next;
            prev.next = next;
            next.prev = prev;
        }
    }
    private Node findNodeByValue(int value) {
        Node p = sentinel.next;
        while (p != sentinel) {
            if (p.value == value) {
                return p;
            }
            p = p.next;
        }
        return null;
    }
}


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