数据结构(四)静态链表、循环链表、双向链表

静态链表:数据全部存储在数组中(和顺序表一样),但存储位置是随机的,数据之间"一对一"的逻辑关系通过一个整形变量(称为"游标",和指针功能类似)维持。
例如,使用静态链表存储 {1,2,3} 的过程如下:

创建一个足够大的数组,假设大小为 6,如图1 所示:


图1:空数组

接着,在将数据存放到数组中时,给各个数据元素配备一个整形变量,此变量用于指明各个元素的直接后继元素所在数组中的位置下标,如图 2 所示:


图2:静态链表存储数据

通常,静态链表会将第一个数据元素放到数组下标为 1 的位置(a[1])中。

图 2 中,从 a[1] 存储的数据元素 1 开始,通过存储的游标变量 3,就可以在 a[3] 中找到元素 1 的直接后继元素 2;同样,通过元素 a[3] 存储的游标变量 5,可以在 a[5] 中找到元素 2 的直接后继元素 3,这样的循环过程直到某元素的游标变量为 0 截止(因为 a[0] 默认不存储数据元素)。

类似图 2 这样,通过 "数组+游标" 的方式存储具有线性关系数据的存储结构就是静态链表。


静态链表中的节点

静态链表存储数据元素也需要自定义数据类型,至少需要包含以下2部分信息:

  • 数据域:用于存储数据元素的值
  • 游标:其实就是数组的下表,表示直接后继元素所在数组中的位置

备用链表

图2显示的静态链表还不够完整,静态链表搜中,出了数据本身通过游标组成的立案表外,还需要有一条连接各个空闲位置的链表,称为备用链表

通常,备用链表的表头位于数组下标为 0(a[0]) 的位置,而数据链表的表头位于数组下标为 1(a[1])的位置。

图3:备用链表和数据链表

静态链表中设置备用链表的好处是,可以清楚地知道数组中是否有空闲位置,以便数据链表添加新数据时使用。比如,若静态链表中数组下标为 0 的位置上存有数据,则证明数组已满。

静态链表的实现

假设使用静态链表(数组长度为 6)存储 {1,2,3},则需经历以下几个阶段。

在数据链表未初始化之前,数组中所有位置都处于空闲状态,因此都应被链接在备用链表上,如图 4 所示:


图4 未存储前静态链表的结构

当向静态链表中添加数据时,需提前从备用链表中摘除节点,以供新数据使用。

备用链表摘除节点最简单的方法是摘除 a[0] 的直接后继节点;同样,向备用链表中添加空闲节点也是添加作为 a[0] 新的直接后继节点。因为 a[0] 是备用链表的第一个节点,我们知道它的位置,操作它的直接后继节点相对容易,无需遍历备用链表,耗费的时间复杂度为 O(1)

因此,在图 4 的基础上,向静态链表中添加元素 1 的过程如图 5 所示:


图5 静态链表中添加元素1

在图5的基础上,添加元素2的过程如图6所示:


图6:静态链表中继续添加元素2

在图 6 的基础上,继续添加元素 3 ,过程如图 7 所示:


图7:静态链表中继续添加元素3

静态链表与动态链表区别

类似于图8 这样的链表,我们称他为“动态链表”。


图8:链表存储结构

类似于图9 这样的链表,我们称他为“静态链表”。


图9:静态链表存储数据示意图

静态链表和动态链表的共同点是,数据之间"一对一"的逻辑关系都是依靠指针(静态链表中称"游标")来维持,仅此而已。

静态链表

使用静态链表存储数据,需要预先申请足够大的一整块内存空间,也就是说,静态链表存储数据元素的个数从其创建的那一刻就已经确定,后期无法更改。

静态链表是在固定大小的存储空间内随机存储各个元素,这就造成了静态链表中需要使用另一条链表(一般称为“备用链表”),来记录空闲存储空间的位置。

这意味着使用静态链表除了操作数据链表,还需要操作备用链表。

动态链表

动态链表不需要预先申请内存空间,也就是说动态链表存储数据元素的个数是不限的,想存多少就存多少。

同时,使用动态链表整个过程是需要操控一条存储数据的链表。当添加删除元素的时,只需要申请malloc或释放free空间即可(java中不需要,gc自动回收),实现简单。


循环链表

无论是静态链表还是动态链表,有时候在解决具体问题时,需要我们对其结构进行稍微地调整。比如,可以把链表两头连接,使其成为一个环状链表,通常称为循环链表。


图10 循环链表

需要注意的是,虽然循环链表成环状,但本质上还是链表,因此在循环链表中,依然能够找到头指针和首元节点等。循环链表和普通链表相比,唯一的不同就是循环链表首尾相连,其他都完全一样。

循环链表实现约瑟夫环

约瑟夫环问题,是一个经典的循环链表问题,题意是:已知 n 个人(分别用编号 1,2,3,…,n 表示)围坐在一张圆桌周围,从编号为 k 的人开始顺时针报数,数到 m 的那个人出列;他的下一个人又从 1 开始,还是顺时针开始报数,数到 m 的那个人又出列;依次重复下去,直到圆桌上剩余一个人。

如图 11 所示,假设此时圆周周围有 5 个人,要求从编号为 3 的人开始顺时针数数,数到 2 的那个人出列:


图11:循环链表实现约瑟夫环

出列顺序依次为:

  • 编号为 3 的人开始数 1,然后 4 数 2,所以 4 先出列;
  • 4 出列后,从 5 开始数 1,1 数 2,所以 1 出列;
  • 1 出列后,从 2 开始数 1,3 数 2,所以 3 出列;
  • 3 出列后,从 5 开始数 1,2 数 2,所以 2 出列;
  • 最后只剩下 5 自己,所以 5 胜出。

约瑟夫环问题有多种变形,比如顺时针转改为逆时针等,虽然问题的细节有多种变数,但解决问题的中心思想是一样的,即使用循环链表。

//解决了约瑟夫环问题,但未使用循环链表
private static void senario(int total, int cycle) {
        List<Integer> all = new LinkedList<Integer>();
        for(int i = 1;i <= total;i++){
            all.add(i);
        }
        int i = 0;
        for(int n = 1;n < total;n++){
            i = (i + cycle -1) % all.size();
            System.out.print(all.get(i)+(n==total-1?"\n":" "));
            all.remove(i);
        }
        System.out.printf("幸存者为:%d号 (人数=%d, 周期=%d, (默认从第1个人开始、正向报数))\n", 
                all.get(0), total, cycle);
    }

循环链表和动态链表唯一不同在于它的首尾连接,这也注定了在使用循环链表时,附带最多的操作就是遍历链表。

在遍历的过程中,尤其要注意循环链表虽然首尾相连,但并不表示该链表没有第一个节点和最后一个结点。所以,不要随意改变头指针的指向。


双向链表

无论是动态链表还是静态链表,表中各节点中都只包含一个指针(游标),且都统一指向直接后继节点,通常称这类链表为单向链表(或单链表)。

如果算法中需要大量地找某指定结点的前趋结点,链表并不是效率最优的存储结构,为了能够高效率解决"从后往前"的问题,可以使用双向链表(简称双链表)。


图12:双向链表结构示意图

双向,指的是各节点之间的逻辑关系是双向的,但通常头指针只设置一个,除非实际情况需要。

从图 11 中可以看到,双向链表中各节点包含以下 3 部分信息(如图 12 所示):

  • 指针域:用于指向直接前驱节点
  • 数据域:用于存储数据元素
  • 指针域:用于存储直接后继节点
图12:双向链表节点构成

双向链表的基本操作

添加至表头

假设新元素节点为 temp,表头节点为 head,则需要做以下 2 步操作即可

  • temp.next = head; head.prior=temp;
  • 将头指针重新指向temp
图13 添加元素至双链表的表头
添加至表中

新节点先与直接后继节点建立双层逻辑关系
新节点的直接前驱节点与新节点建立双层逻辑关系

图14:添加元素至双链表表中
添加至表尾

找到双链表最后一个节点
让新节点与最后一个节点进行双层逻辑关系

图15:双链表尾部添加数据
双链表删除,查找,更改

与单链表几乎无异。


双向循环链表

双向链表也可以进行首尾连接,构成双向循环链表。如图 16 所示:


图16:双向循环链表示意图

当问题中涉及到需要 "循环往复" 地遍历表中数据时,就需要使用双向循环链表。例如,前面章节我们对约瑟夫环问题进行了研究,其实约瑟夫环问题有多种玩法,每次顺时针报数后,下一轮可以逆时针报数,然后再顺时针......一直到剩下最后一个人。解决这个问题就需要使用双向循环链表结构。

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