单向链表简介

在底层结构上，单向链表通过指针将一组零散的内存块串联在一起。其中，我们把内存块称为链表的“结点”。为了将所有的结点串起来，每个链表的结点除了存储数据之外，还需要记录链上的下一个结点的地址。如下图所示，我们把这个记录下个结点地址的指针叫作后继指针 next。

从画的单链表图中，你应该可以发现，其中有两个结点是比较特殊的，它们分别是第一个结点和最后一个结点。我们习惯性地把第一个结点叫作头结点，把最后一个结点叫作尾结点。其中，头结点用来记录链表的基地址。有了它，我们就可以遍历得到整条链表。而尾结点特殊的地方是：指针不是指向下一个结点，而是指向一个空地址 NULL，表示这是链表上最后一个结点。

单向链表的增删改查操作

1. 插入操作

• 头部插入：时间复杂度O(1)
• 尾部插入：时间复杂度O(1)
• 指定位置后面插入：时间复杂度O(1)
• 指定位置前面插入：时间复杂度O(n)

2. 删除操作

删除操作的时间复杂度和插入操作的时间复杂度类似。

• 删除头部节点：时间复杂度O(1)
• 删除尾部节点：时间复杂度O(n)，因为首先需要遍历链表，找到尾部节点的前一个节点（后面分析双向链表时发现就不会有这个问题）
• 删除指定节点：时间复杂度O(n)
• 删除值等于某个数的节点：时间复杂度O(n)

3. 更新操作

• 更新指定节点：时间复杂度O(1)
• 将链表中值等于某个具体值的节点更新：时间复杂度O(n)

4. 查询操作

• 时间复杂度：O(n)

由于链表的底层数据是不连续的，所以不能通过随机访问进行数据寻址。只能通过遍历进行查找数据。

单向链表的Java代码实现

package com.csx.algorithm.link;

public class SinglyLinkedList<E> {


    public static void main(String[] args) {
        SinglyLinkedList<Integer> list = new SinglyLinkedList<>();
        //尾部插入，遍历链表输出
        System.out.println("尾部插入[1-10]");
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            list.addLast(Integer.valueOf(i));
        }
        list.printList();
        //头部插入，遍历链表输出
        System.out.println("头部插入[1-10]");
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            list.addFirst(Integer.valueOf(i));
        }
        list.printList();
        //在指定节点后面插入
        System.out.println("在头节点后面插入[100]");
        list.addAfter(100, list.head);
        list.printList();
        System.out.println("在头节点前面插入[100]");
        list.addBefore(100, list.head);
        list.printList();
        System.out.println("在尾节点前面插入[100]");
        list.addBefore(100, list.tail);
        list.printList();
        System.out.println("在尾节点后面插入[100]");
        list.addAfter(100, list.tail);
        list.printList();

        System.out.println("------------删除方法测试-----------");
        System.out.println("删除头节点");
        list.removeFirst();
        list.printList();
        System.out.println("删除尾节点");
        list.removeLast();
        list.printList();
        System.out.println("删除指定节点");
        list.removeNode(list.head.next);
        list.printList();
    }


    private Node head;
    private Node tail;

    public SinglyLinkedList() {
    }

    public SinglyLinkedList(E data) {
        Node node = new Node<>(data, null);
        head = node;
        tail = node;
    }

    public void printList() {
        Node p = head;
        while (p != null && p.next != null) {
            System.out.print(p.data + "-->");
            p = p.next;
        }
        if (p != null) {
            System.out.println(p.data);
        }
    }

    public void addFirst(E data) {
        //允许节点值为空
        //if(data==null){
        //    return;
        //}
        Node node = new Node(data, head);
        head = node;
        if (tail == null) {
            tail = node;
        }
    }

    public void addLast(E data) {
        Node node = new Node(data, null);
        if (tail == null) {
            head = node;
            tail = node;
        } else {
            tail.next = node;
            tail = node;
        }
    }

    /**
     * @param data
     * @param node node节点必须在链表中
     */
    public void addAfter(E data, Node node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        Node newNode = new Node(data, node.next);
        node.next = newNode;
        if(tail==node){
            tail = newNode;
        }
    }

    /**
     * @param data
     * @param node node节点必须在链表中
     */
    public void addBefore(E data, Node node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        Node p = head;
        if (p == null) {
            throw new RuntimeException("node not in LinkedList...");
        }
        if (p == node) {
            Node newNode = new Node(data, node);
            head = newNode;
            return;
        }
        while (p.next != null) {
            if (p.next == node) {
                break;
            }
            p = p.next;
        }
        if (p.next == null) {
            throw new RuntimeException("node not in LinkedList...");
        }
        Node newNode = new Node(data, node);
        p.next = newNode;
    }

    public void removeFirst() {
        if (head == null) {
            return;
        }
        if (head == tail) {
            head = null;
            tail = null;
        } else {
            head = head.next;
        }
    }

    public void removeLast() {
        if (tail == null) {
            return;
        }
        if (head == tail) {
            head = null;
            tail = null;
        } else {
            Node p = head;
            while (p.next != tail) {
                p = p.next;
            }
            p.next = null;
            tail = p;
        }
    }

    public void removeNode(Node node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        Node p = head;
        if (p == null) {
            return;
        }
        while (p.next != null && p.next != node) {
            p = p.next;
        }
        if (p.next != null) {
            p.next = node.next;
        }
    }

    private static class Node<E> {
        E data;
        Node next;

        public Node(E data, Node next) {
            this.data = data;
            this.next = next;
        }
    }

}

单向链表的JDK实现

如果你使用高级编程语言，一般都会有现成的单向链表实现。比如你使用的是Java，其中的LinkedList就可以实现单向链表功能（虽然LinkedList底层是双向链表，但是双向链表可以实现单向链表的所有功能）。

有时候你可能只是想实现一个链表的结构，并不想暴露太多的操作API给用户。这时候使用LinkedList可能不太能满足你的需求，因为LinkedList除了链表相关的操作，还暴露了其他的一些接口，这样可能会给用户太多的操作权限。

其实这个问题也不是太大，我们是要做下适当的封装就行了。

package com.csx.algorithm.link;

import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Set;
import java.util.function.Predicate;

public class SinglyLinkedList2<E> {

    private LinkedList<E> list;

    public SinglyLinkedList2() {
        this.list = new LinkedList<>();
    }

    public SinglyLinkedList2(E data){
        Set<E> singleton = Collections.singleton(data);
        this.list = new LinkedList<>(singleton);
    }

    public SinglyLinkedList2(Collection<? extends E> c){
        this.list = new LinkedList<>(c);
    }

    // ----------------------------------新增方法---------------------------------------

    public void addFirst(E data){
        list.addFirst(data);
    }

    public void addLast(E data){
        list.addLast(data);
    }
    // 在链表末尾添加
    public boolean add(E date){
        return list.add(date);
    }

    public boolean addAll(Collection<? extends E> collection){
        return list.addAll(collection);
    }

    public boolean addBefore(E data,E succ){
        int i = list.indexOf(succ);
        if(i<0){
            return false;
        }
        list.add(i,data);
        return true;
    }

    public boolean addAfter(E data,E succ){
        int i = list.indexOf(succ);
        if(i<0){
            return false;
        }
        if((i+1)==list.size()){
            list.addLast(data);
            return true;
        }else {
            list.add(i+1,data);
            return true;
        }
    }
    // ---------------------------------- 删除方法---------------------------------------
    // 删除方法，默认删除链表头部元素
    public E remove(){
        return list.remove();
    }
    // 删除方法,删除链表第一个元素
    public E removeFirst(){
        return list.removeFirst();
    }
    // 删除方法,删除链表最后一个元素
    public E removeLast(){
        return list.removeLast();
    }
    // 删除链表中第一次出现的元素，成功删除返回true
    // 对象相等的标准是调用equals方法相等
    public boolean remove(E data){
        return list.remove(data);
    }
    // 逻辑和remove（E data）方法相同
    public boolean removeFirstOccur(E data){
        return list.removeFirstOccurrence(data);
    }
    // 因为LinkedList内部是双向链表，所以时间复杂度和removeFirstOccur相同
    public boolean removeLastOccur(E data){
        return list.removeLastOccurrence(data);
    }
    // 批量删除方法
    public boolean removeAll(Collection<?> collection){
        return list.removeAll(collection);
    }
    // 按照条件删除
    public boolean re(Predicate<? super E> filter){
        return list.removeIf(filter);
    }
    // ----------------------------- 查询方法----------------------------
    // 查询链表头部元素
    public E getFirst(){
        return list.getFirst();
    }
    // 查询链表尾部元素
    public E getLast(){
        return list.getLast();
    }
    // 查询链表是否包含某个元素
    // 支持null判断
    // 相等的标准是data.equals(item)
    public boolean contains(E data){
        return list.contains(data);
    }
    public boolean containsAll(Collection<?> var){
        return list.containsAll(var);
    }

}

需要注意的是：虽然JDK中的LinkedList已经提供了非常方便的链表实现，但是这个类并不是线程安全的，如果你的代码需要保证线程安全的话，你需要额外做同步措施保证代码的线程安全。

循环链表

循环链表是一种特殊的单链表。实际上，循环链表也很简单。它跟单链表唯一的区别就在尾结点。我们知道，单链表的尾结点指针指向空地址，表示这就是最后的结点了。而循环链表的尾结点指针是指向链表的头结点。从我画的循环链表图中，你应该可以看出来，它像一个环一样首尾相连，所以叫作“循环”链表。

和单链表相比，循环链表的优点是从链尾到链头比较方便。当要处理的数据具有环型结构特点时，就特别适合采用循环链表。比如著名的约瑟夫问题。尽管用单链表也可以实现，但是用循环链表实现的话，代码就会简洁很多。

链表的使用场景

因为双向链表、循环链表都能实现单链表的功能，所以这边举例的使用场景不仅仅是针对单链表的，使用其他链表也可以实现。

链表一个经典的链表应用场景就是 LRU 缓存淘汰算法。

缓存是一种提高数据读取性能的技术，在硬件设计、软件开发中都有着非常广泛的应用，比如常见的 CPU 缓存、数据库缓存、浏览器缓存等等。

缓存的大小有限，当缓存被用满时，哪些数据应该被清理出去，哪些数据应该被保留？这就需要缓存淘汰策略来决定。常见的策略有三种：先进先出策略 FIFO（First In，First Out）、最少使用策略 LFU（Least Frequently Used）、最近最少使用策略 LRU（Least Recently Used）。

使用单链表实现LRU算法的大致思路是：

维护一个有序单链表（链表长度有限），越靠近链表尾部的结点是越早之前访问的。当有一个新的数据被访问时，我们从链表头开始顺序遍历链表。

1. 如果此数据之前已经被缓存在链表中了，我们遍历得到这个数据对应的结点，并将其从原来的位置删除，然后再插入到链表的头部。

2. 如果此数据没有在缓存链表中，又可以分为两种情况：

• 如果此时缓存未满，则将此结点直接插入到链表的头部；
• 如果此时缓存已满，则链表尾结点删除，将新的数据结点插入链表的头部。

实现上面算法的时间复杂度是O(n)。

除了基于链表的实现思路，实际上还可以用数组来实现 LRU 缓存淘汰策略。思路和上面的类似。