7.双向链表的优雅实现

大家好我是佩奇

发布于 2022-8-8 19:18

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❝链表是基本的数据结构，尤其双向链表在应用中最为常见，LinkedList 就实现了双向链表。今天我们一起手写一个双向链表。❞

文中涉及的代码可访问 GitHub:https://github.com/UniqueDong/algorithms.git

上次我们说了「单向链表」的代码实现，今天带大家一起玩下双向链表，双向链表的节点比单项多了一个指针引用「prev」。双向链表就像渣男，跟「前女友」和「现女友」，还有一个「备胎』都保持联系。前女友就像是前驱节点，现女友就是「当前 data」，而「next」指针就像是他套住的备胎。每个 Node 节点有三个属性，类比就是「前女友」+ 「现女友」 + 「备胎」。

使用这样的数据结构就能实现「进可攻退可守」灵活状态。

接下来让我们一起实现『渣男双向链表』。

定义Node
节点分别保存现女友、前女友、跟备胎的联系方式，这样就能够实现一三五轮换运动（往前看有前女友，往后看有备胎），通过不同指针变可以找到前女友跟备胎。就像渣男拥有她们的联系方式。

private static class Node<E> {
        //现女友
        E item;
        // 备胎
        Node<E> next;
        // 前女友
        Node<E> prev;

        public Node(Node<E> prev, E item, Node<E> next) {
            this.prev = prev;
            this.item = item;
            this.next = next;
        }
    }1.
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代码实现
定义好渣男节点后，就开始实现我们的双向链表。类似过来就是一个渣男联盟排成一列。我们还需要定义两个指针分别指向头结点和尾节点。一个带头大哥，一个收尾小弟。

public class DoubleLinkedList<E> extends AbstractList<E> implements Queue<E> {
    transient int size = 0;

    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     * (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     * (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;1.
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头节点添加
新的渣男进群了，把他设置成群主带头大哥。首先构建新节点，prev = null，带头大哥业务繁忙，不找前女友，所以 prev = null；next 则指向原先的 first。

1.如果链表是空的，则还要把尾节点也指向新创建的节点。
2.若果链表已经有数据，则把原先 first.prev = newNode。

 @Override
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }
    /**
     * 头结点添加数据
     *
     * @param e 数据
     */
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = this.first;
        Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        // first 指向新节点
        first = newNode;
        if (Objects.isNull(f)) {
            // 链表是空的
            last = newNode;
        } else {
            // 将原 first.prev = newNode
            f.prev = newNode;
        }
        size++;
    }1.
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尾节点添加
将新进来的成员放在尾巴。

第一步构建新节点，把 last 指向新节点。

第二步判断 last 节点是否是空，为空则说明当前链表是空，还要把 first 指向新节点。否则就需要把原 last.next 的指针指向新节点。

@Override
    public boolean add(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }
    private void addLast(E e) {
        final Node<E> l = this.last;
        Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (Objects.isNull(l)) {
            // 链表为空的情况下，设置 first 指向新节点
            first = newNode;
        } else {
            // 原 last 节点的 next 指向新节点
            l.next = newNode;
        }
        size++;
    }
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指定位置添加
分为两种情况，一个是在最后的节点新加一个。一种是在指定节点的前面插入新节点。

在后面添加前面尾巴添加已经说过，对于在指定节点的前面插入需要我们先找到指定位置节点，然后改变他们的 prev next 指向。

@Override
    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);
        if (index == size) {
            linkLast(element);
        } else {
            linkBefore(element, node(index));
        }
    }


    /**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E element) {
        addLast(element);
    }


    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    private void linkBefore(E element, Node<E> succ) {
        // assert succ != null
        final Node<E> prev = succ.prev;
        // 构造新节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(prev, element, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (Objects.isNull(prev)) {
            first = newNode;
        } else {
            prev.next = newNode;
        }
        size++;
    }1.
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节点查找
为了优化，根据 index 查找的时候先判断 index 落在前半部分还是后半部分。前半部分通过 first 开始查找，否则通过 last 指针从后往前遍历。

 @Override
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    Node<E> node(int index) {
        // 优化查找，判断 index 在前半部分还是后半部分。
        if (index < (this.size >> 2)) {
            // 前半部分，从头结点开始查找
            Node<E> x = this.first;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                x = x.next;
            }
            return x;
        } else {
            // 后半部分，从尾节点开始查找
            Node<E> x = this.last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--) {
                x = x.prev;
            }
            return x;
        }
    }1.
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查找 Object 所在位置 indexOf ,若找不到返回 -1

 @Override
    public int indexOf(Object o) {
        int index = 0;
        if (Objects.isNull(o)) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    return index;
                }
                index++;
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item.equals(o)) {
                    return index;
                }
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }1.
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判断链表中是否存在指定对象 contains ，其实还是利用上面的 indexOf 方法，当返回值不等于 -1 则说明包含该对象。

  @Override
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) != -1;
    }1.
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节点删除
有两种删除情况：

1.根据下标删除指定位置的节点。
2.删除指定数据的节点。

删除指定位置节点
1.首先判断该 index 是否合法存在。
2.查找要删除的节点位置，重新设置被删除节点关联的指针指向。
node() 方法已经在前面的查找中封装好这里可以直接调用，我们再实现 unlink 方法，该方法还会用于删除指定对象，所以这抽出来实现复用。也是最核心最不好理解的方法，我们多思考画图理解下。

 @Override
    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }
    public final void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    /**
     * Tells if the argument is the index of an existing element.
     */
    private boolean isElementIndex(int index) {
        return index >= 0 && index < size();
    }

    /**
     * Unlinks non-null node x.
     */
    private E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;
        // 若 只有一个节点，那么会执行 prev == null 和 next == null 分支代码
        // 若 prev == null 则说明删除的是头结点,主要负责 x 节点跟前驱节点的引用处理
        if (Objects.isNull(prev)) {
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }
        // 若 next 为空，说明删除的是尾节点，主要负责 x 与 next 节点 引用的处理
        if (Objects.isNull(next)) {
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

        x.item = null;
        size--;
        return element;
    }1.
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分别找出被删除节点 x 的前驱和后继节点，要考虑当前链表只有一个节点的情况，最后还要把被删除节点的的 next 指针，item 设置 null，便于垃圾回收，防止内存泄漏。

删除指定数据
这里判断下数据是否是 null , 从头节点开始遍历链表，当找到索要删除的节点的时候调用用前面封装好的 unlink 方法实现删除。

    @Override
    public boolean remove(Object o) {
        if (Objects.isNull(o)) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item)) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }1.
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完整代码可以参考 GitHub：https://github.com/UniqueDong/algorithms.git

文章转载自公众号：码哥字节

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已于2022-8-8 19:18:07修改

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