Java最新数据结构与算法分析:(四)双向链表,Java中高级面试题总结(全面)

最后

我想问下大家当初选择做程序员的初衷是什么?有思考过这个问题吗?高薪?热爱?

既然入了这行就应该知道,这个行业是靠本事吃饭的,你想要拿高薪没有问题,请好好磨练自己的技术,不要抱怨。有的人通过培训可以让自己成长,有些人可以通过自律强大的自学能力成长,如果你两者都不占,还怎么拿高薪?

架构师是很多程序员的职业目标,一个好的架构师是不愁所谓的35岁高龄门槛的,到了那个时候,照样大把的企业挖他。为什么很多人想进阿里巴巴,无非不是福利待遇好以及优质的人脉资源,这对个人职业发展是有非常大帮助的。

如果你也想成为一名好的架构师,那或许这份Java核心架构笔记你需要阅读阅读,希望能够对你的职业发展有所帮助。

中高级开发必知必会:

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从我画的图中可以看出来,双向链表需要额外的两个空间来存储后继结点和前驱结点的地址。所以,如果存储同样多的数据,双向链表要比单链表占用更多的内存空间。虽然两个指针比较浪费存储空间,但可以支持双向遍历,这样也带来了双向链表操作的灵活性。那相比单链表,双向链表适合解决哪种问题呢?

从结构上来看,双向链表可以支持 O(1) 时间复杂度的情况下找到前驱结点,正是这样的特点,也使双向链表在某些情况下的插入、删除等操作都要比单链表简单、高效。

我们接下来就不像上一篇那样详细的画图然后贴代码说明了。我们这里重点来介绍删除与插入操作。

二、双向链表的删除与插入操作


在实际的软件开发中,从链表中删除一个数据无外乎这两种情况:

  • 删除结点中“值等于某个给定值”的结点;

  • 删除给定指针指向的结点。

对于第一种情况,不管是单链表还是双向链表,为了查找到值等于给定值的结点,都需要从头结点开始一个一个依次遍历对比,直到找到值等于给定值的结点,然后再通过我前面讲的指针操作将其删除。

尽管单纯的删除操作时间复杂度是 O(1),但遍历查找的时间是主要的耗时点,对应的时间复杂度为 O(n)。根据时间复杂度分析中的加法法则,删除值等于给定值的结点对应的链表操作的总时间复杂度为 O(n)。

对于第二种情况,我们已经找到了要删除的结点,但是删除某个结点 q 需要知道其前驱结点,而单链表并不支持直接获取前驱结点,所以,为了找到前驱结点,我们还是要从头结点开始遍历链表,直到 p->next=q,说明 p 是 q 的前驱结点。

但是对于双向链表来说,这种情况就比较有优势了。因为双向链表中的结点已经保存了前驱结点的指针,不需要像单链表那样遍历。所以,针对第二种情况,单链表删除操作需要 O(n) 的时间复杂度,而双向链表只需要在 O(1) 的时间复杂度内就搞定了!

同理,如果我们希望在链表的某个指定结点前面插入一个结点,双向链表比单链表有很大的优势。双向链表可以在 O(1) 时间复杂度搞定,而单向链表需要 O(n) 的时间复杂度。

除了插入、删除操作有优势之外,对于一个有序链表,双向链表的按值查询的效率也要比单链表高一些。因为,我们可以记录上次查找的位置 p,每次查询时,根据要查找的值与 p 的大小关系,决定是往前还是往后查找,所以平均只需要查找一半的数据。

现在,你有没有觉得双向链表要比单链表更加高效呢?这就是为什么在实际的软件开发中,双向链表尽管比较费内存,但还是比单链表的应用更加广泛的原因。如果你熟悉 Java 语言,你肯定用过 LinkedHashMap、LinkedList这个容器。如果你深入研究 LinkedHashMap 的实现原理,就会发现其中就用到了双向链表这种数据结构。


实际上,这里有一个更加重要的知识点需要你掌握,那就是用空间换时间的设计思想。当内存空间充足的时候,如果我们更加追求代码的执行速度,我们就可以选择空间复杂度相对较高、但时间复杂度相对很低的算法或者数据结构。相反,如果内存比较紧缺,比如代码跑在手机或者单片机上,这个时候,就要反过来用时间换空间的设计思路。

缓存实际上就是利用了空间换时间的设计思想。如果我们把数据存储在硬盘上,会比较节省内存,但每次查找数据都要询问一次硬盘,会比较慢。但如果我们通过缓存技术,事先将数据加载在内存中,虽然会比较耗费内存空间,但是每次数据查询的速度就大大提高了。

总结一下,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;而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。

三、双向链表的代码实现


1、.因为链表由一个一个的节点组成,因此需要定义一个节点类(Node)。假设属性包括id、name(这些是节点的数据域),和prev、next(指针域)。

Node类

public class Node {

private int id;

private String name;

private Node prev, next;// 前驱与后驱结点

public int getId() {

return id;

}

public void setId(int id) {

this.id = id;

}

public String getName() {

return name;

}

public void setName(String name) {

this.name = name;

}

public Node getPrev() {

return prev;

}

public void setPrev(Node prev) {

this.prev = prev;

}

public Node getNext() {

return next;

}

public void setNext(Node next) {

this.next = next;

}

}

2、定义一个DubboLinkedList 双向链表类,DubboLinkedList 类包括一个成员变量head,是链表的头结点。

DubboLinkedList 类

/**

  • 双向链表

*/

public class DubboLinkedList {

// 头结点,头结点不保存数据

Node head = new Node();

// 获取链表的第一个节点(不是头结点)

public Node getFirst() {

return head.getNext();

}

// 获取链表的最后那个节点

public Node getLast() {

// temp变量来保存链表的最后那个节点

Node temp = head;

while (temp.getNext() != null) {

temp = temp.getNext();

}

// 循环结束时,temp就是最后那个节点

return temp;

}

// 根据id查找指定节点

public Node get(int id) {

Node temp = head.getNext();

while (temp != null) {

if (temp.getId() == id) {

break;

}

// temp后移

temp = temp.getNext();

}

return temp;

}

// 正序遍历链表

public void list() {

// 判空

if (head.getNext() == null) {

System.out.println(“DubboLinkedList is empty”);

return;

}

Node temp = head.getNext();

while (temp != null) {

System.out.println(temp);

// temp后移

temp = temp.getNext();

}

}

// 倒序遍历链表

public void reverseOrderList() {

// 判空

if (head.getNext() == null) {

System.out.println(“DubboLinkedList is empty”);

return;

}

// 先得到最后那个节点

Node temp = getLast();

while (temp != null) {

System.out.println(temp);

temp = temp.getPrev();

if (temp.getPrev() == null) {

// 如果temp.getPrev()==null,说明当前temp是头结点,不打印头结点

break;

}

}

}

// 添加新节点到链表尾部

public void append(Node node) {

Node last = getLast();

// 添加新节点

last.setNext(node);

node.setPrev(last);

}

// 插入节点到指定节点后

public void insertAfter(Node node, Node newNode) {

// 先根据id找到这个节点

Node beforeNode = get(node.getId());

// 插入节点

beforeNode.getNext().setPrev(newNode);

newNode.setNext(beforeNode.getNext());

beforeNode.setNext(newNode);

newNode.setPrev(beforeNode);

}

// 删除指定节点,并返回被删除节点

public Node delete(Node node) {

if (head.getNext() == null) {

System.out.println(“DubboLinkedList is empty”);

return null;

}

// 找到被删除节点

Node deleteNode = get(node.getId());

if (deleteNode == null) {

System.out.println(“The specified node was not found”);

return deleteNode;

}

// 删除节点

deleteNode.getPrev().setNext(deleteNode.getNext());

// 如果被删除的节点不是最后那个节点才执行,因为最后的节点的next指针为null,不判断可能产生空指针异常

if (deleteNode.getNext() != null) {

deleteNode.getNext().setPrev(deleteNode.getPrev());

}

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