数据结构02-链表

什么是链表

• 和数组一样是一种线性表。
• 从内存结构来看，链表的内存结构是不连续的内存空间，是将一组零散的内存块串联起来，从而进行数据存储的数据结构。
• 链表中的每一个内存块被称为结点Node。结点除了存储数据外，还需记录链上的下一个结点的地址，即后继指针next。

常用链表

单链表、循环链表、双向链表、双向循环链表

单链表

• 每个结点只包含一个指针，即后继指针。
• 单链表有两个特殊结点，即头结点和尾结点。头结点用来记录链表的基地址，可以遍历得到整条链表。尾结点指向一个空地址 NULL，表示这是链表上最后一个结点。
• 插入和删除结点的时间复杂度为O（1），查找的时间复杂度为O(n)。

循环链表

一种特殊的单链表。

• 它跟单链表唯一的区别是尾结点指针是指向链表的头结点。
• 循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。适用于处理具有环型结构特点的数据，比如著名的约瑟夫问题。

双向链表

• 结点除了存储数据外，还有两个指针分别指向前一个结点地址（前驱指针prev）和下一个结点地址（后继指针next）。
• 头结点的前驱指向为空，尾结点指向为空。
• 给定数据值查询/删除对应结点，双向和单链表的时间复杂度均是O(n)；给定结点的查询/删除，双向O(1)，单链表O(n)。

双向循环链表

首节点的前驱指针指向尾节点，尾节点的后继指针指向首节点。

用空间换时间的设计思想

对于执行较慢的程序，可以通过消耗更多的内存（空间换时间）来进行优化。
消耗过多内存的程序，可以通过消耗更多的时间（时间换空间）来降低内存的消耗。

数组和链表比较：

• 链表插入、删除数据效率高，时间复杂度O(1)，随机访问效率低，时间复杂度O(n)。
• 数组插入、删除数据效率低，时间复杂度O(n)，随机访问效率高，时间复杂度O(1)。

数组简单易用，在实现上使用的是连续的内存空间，可以借助 CPU 的缓存机制，预读数组中的数据，所以访问效率更高。而链表在内存中并不是连续存储，所以对 CPU 缓存不友好，没办法有效预读。

链表本身没有大小的限制，天然地支持动态扩容。

如果代码对内存的使用非常苛刻，那数组就更适合。

数组缺点

内存中没有足够的连续空间时，数组申请空间会失败，导致内存不足(out of memory)。

数组大小固定，当不够用时，需要扩容，一旦扩容就要进行数据复制，而这时非常费时。

链表缺点

内存消耗大，因为要消耗额外的空间存储指针信息。

对链表进行频繁的插入和删除操作，会导致频繁的内存申请和释放，容易造成内存碎片。Java语言中还可能会造成频繁的GC（Garbage Collection，垃圾回收）。

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参考资料

数据结构与算法之美