4.2. 链表¶

内存空间是所有程序的公共资源，排除已被占用的内存空间，空闲内存空间通常散落在内存各处。在上一节中，我们提到存储数组的内存空间必须是连续的，而当我们需要申请一个非常大的数组时，空闲内存中可能没有这么大的连续空间。与数组相比，链表更具灵活性，它可以被存储在非连续的内存空间中。

「链表 Linked List」是一种线性数据结构，其每个元素都是一个节点对象，各个节点之间通过指针连接，从当前节点通过指针可以访问到下一个节点。由于指针记录了下个节点的内存地址，因此无需保证内存地址的连续性，从而可以将各个节点分散存储在内存各处。

链表「节点 Node」包含两项数据，一是节点「值 Value」，二是指向下一节点的「指针 Pointer」，或称「引用 Reference」。

链表定义与存储方式

Fig. 链表定义与存储方式

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向下一节点的指针（引用）
    ListNode(int x) { val = x; }  // 构造函数
}

/* 链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode *next;  // 指向下一节点的指针（引用）
    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}  // 构造函数
};

class ListNode:
    """链表节点类"""
    def __init__(self, val: int):
        self.val: int = val                  # 节点值
        self.next: Optional[ListNode] = None # 指向下一节点的指针（引用）

/* 链表节点结构体 */
type ListNode struct {
    Val  int       // 节点值
    Next *ListNode // 指向下一节点的指针（引用）
}

// NewListNode 构造函数，创建一个新的链表
func NewListNode(val int) *ListNode {
    return &ListNode{
        Val:  val,
        Next: nil,
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    val;
    next;
    constructor(val, next) {
        this.val = (val === undefined ? 0 : val);       // 节点值
        this.next = (next === undefined ? null : next); // 指向下一节点的引用
    }
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    val: number;
    next: ListNode | null;
    constructor(val?: number, next?: ListNode | null) {
        this.val = val === undefined ? 0 : val;        // 节点值
        this.next = next === undefined ? null : next;  // 指向下一节点的引用
    }
}

/* 链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;               // 节点值
    struct ListNode *next; // 指向下一节点的指针（引用）
};

typedef struct ListNode ListNode;

/* 构造函数 */
ListNode *newListNode(int val) {
    ListNode *node, *next;
    node = (ListNode *) malloc(sizeof(ListNode));
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    return node;
}

/* 链表节点类 */
class ListNode
{
    int val;         // 节点值
    ListNode next;   // 指向下一节点的引用
    ListNode(int x) => val = x;  //构造函数
}

/* 链表节点类 */
class ListNode {
    var val: Int // 节点值
    var next: ListNode? // 指向下一节点的指针（引用）

    init(x: Int) { // 构造函数
        val = x
    }
}

// 链表节点类
pub fn ListNode(comptime T: type) type {
    return struct {
        const Self = @This();

        val: T = 0, // 节点值
        next: ?*Self = null, // 指向下一节点的指针（引用）

        // 构造函数
        pub fn init(self: *Self, x: i32) void {
            self.val = x;
            self.next = null;
        }
    };
}

尾节点指向什么？

我们将链表的最后一个节点称为「尾节点」，其指向的是“空”，在 Java, C++, Python 中分别记为 \(\text{null}\) , \(\text{nullptr}\) , \(\text{None}\) 。在不引起歧义的前提下，本书都使用 \(\text{null}\) 来表示空。

如何称呼链表？

在编程语言中，数组整体就是一个变量，例如数组 nums ，包含各个元素 nums[0] , nums[1] 等等。而链表是由多个节点对象组成，我们通常将头节点当作链表的代称，例如头节点 head 和链表 head 实际上是同义的。

链表初始化方法。建立链表分为两步，第一步是初始化各个节点对象，第二步是构建引用指向关系。完成后，即可以从链表的头节点（即首个节点）出发，通过指针 next 依次访问所有节点。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

linked_list.java

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点 
ListNode n0 = new ListNode(1);
ListNode n1 = new ListNode(3);
ListNode n2 = new ListNode(2);
ListNode n3 = new ListNode(5);
ListNode n4 = new ListNode(4);
// 构建引用指向
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

linked_list.cpp

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点 
ListNode* n0 = new ListNode(1);
ListNode* n1 = new ListNode(3);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(5);
ListNode* n4 = new ListNode(4);
// 构建引用指向
n0->next = n1;
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;

linked_list.py

# 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4
# 初始化各个节点 
n0 = ListNode(1)
n1 = ListNode(3)
n2 = ListNode(2)
n3 = ListNode(5)
n4 = ListNode(4)
# 构建引用指向
n0.next = n1
n1.next = n2
n2.next = n3
n3.next = n4

linked_list.go

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
n0 := NewListNode(1)
n1 := NewListNode(3)
n2 := NewListNode(2)
n3 := NewListNode(5)
n4 := NewListNode(4)
// 构建引用指向
n0.Next = n1
n1.Next = n2
n2.Next = n3
n3.Next = n4

linked_list.js

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
const n0 = new ListNode(1);
const n1 = new ListNode(3);
const n2 = new ListNode(2);
const n3 = new ListNode(5);
const n4 = new ListNode(4);
// 构建引用指向
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

linked_list.ts

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
const n0 = new ListNode(1);
const n1 = new ListNode(3);
const n2 = new ListNode(2);
const n3 = new ListNode(5);
const n4 = new ListNode(4);
// 构建引用指向
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

linked_list.c

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点 
ListNode* n0 = newListNode(1);
ListNode* n1 = newListNode(3);
ListNode* n2 = newListNode(2);
ListNode* n3 = newListNode(5);
ListNode* n4 = newListNode(4);
// 构建引用指向
n0->next = n1;
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;

linked_list.cs

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点 
ListNode n0 = new ListNode(1);
ListNode n1 = new ListNode(3);
ListNode n2 = new ListNode(2);
ListNode n3 = new ListNode(5);
ListNode n4 = new ListNode(4);
// 构建引用指向
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

linked_list.swift

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
let n0 = ListNode(x: 1)
let n1 = ListNode(x: 3)
let n2 = ListNode(x: 2)
let n3 = ListNode(x: 5)
let n4 = ListNode(x: 4)
// 构建引用指向
n0.next = n1
n1.next = n2
n2.next = n3
n3.next = n4

linked_list.zig

// 初始化链表
// 初始化各个节点 
var n0 = inc.ListNode(i32){.val = 1};
var n1 = inc.ListNode(i32){.val = 3};
var n2 = inc.ListNode(i32){.val = 2};
var n3 = inc.ListNode(i32){.val = 5};
var n4 = inc.ListNode(i32){.val = 4};
// 构建引用指向
n0.next = &n1;
n1.next = &n2;
n2.next = &n3;
n3.next = &n4;

4.2.1. 链表优点¶

链表中插入与删除节点的操作效率高。例如，如果我们想在链表中间的两个节点 A , B 之间插入一个新节点 P ，我们只需要改变两个节点指针即可，时间复杂度为 \(O(1)\) ；相比之下，数组的插入操作效率要低得多。

链表插入节点

Fig. 链表插入节点

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

linked_list.java

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode n0, ListNode P) {
    ListNode n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.cpp

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode *n0, ListNode *P) {
    ListNode *n1 = n0->next;
    P->next = n1;
    n0->next = P;
}

linked_list.py

def insert(n0: ListNode, P: ListNode) -> None:
    """在链表的节点 n0 之后插入节点 P"""
    n1 = n0.next
    P.next = n1
    n0.next = P

linked_list.go

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
func insertNode(n0 *ListNode, P *ListNode) {
    n1 := n0.Next
    P.Next = n1
    n0.Next = P
}

linked_list.js

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
function insert(n0, P) {
    const n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.ts

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
function insert(n0: ListNode, P: ListNode): void {
    const n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.c

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode *n0, ListNode *P) {
    ListNode *n1 = n0->next;
    P->next = n1;
    n0->next = P;
}

linked_list.cs

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
void insert(ListNode n0, ListNode P) {
    ListNode? n1 = n0.next;
    P.next = n1;
    n0.next = P;
}

linked_list.swift

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
func insert(n0: ListNode, P: ListNode) {
    let n1 = n0.next
    P.next = n1
    n0.next = P
}

linked_list.zig

// 在链表的节点 n0 之后插入节点 P
fn insert(n0: ?*inc.ListNode(i32), P: ?*inc.ListNode(i32)) void {
    var n1 = n0.?.next;
    P.?.next = n1;
    n0.?.next = P;
}

在链表中删除节点也非常方便，只需改变一个节点的指针即可。如下图所示，尽管在删除操作完成后，节点 P 仍然指向 n1 ，但实际上 P 已经不再属于此链表，因为遍历此链表时无法访问到 P 。

链表删除节点

Fig. 链表删除节点

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

linked_list.java

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode n0) {
    if (n0.next == null)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode P = n0.next;
    ListNode n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.cpp

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode *n0) {
    if (n0->next == nullptr)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode *P = n0->next;
    ListNode *n1 = P->next;
    n0->next = n1;
    // 释放内存
    delete P;
}

linked_list.py

def remove(n0: ListNode) -> None:
    """删除链表的节点 n0 之后的首个节点"""
    if not n0.next:
        return
    # n0 -> P -> n1
    P = n0.next
    n1 = P.next
    n0.next = n1

linked_list.go

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
func removeNode(n0 *ListNode) {
    if n0.Next == nil {
        return
    }
    // n0 -> P -> n1
    P := n0.Next
    n1 := P.Next
    n0.Next = n1
}

linked_list.js

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
function remove(n0) {
    if (!n0.next) return;
    // n0 -> P -> n1
    const P = n0.next;
    const n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.ts

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
function remove(n0: ListNode): void {
    if (!n0.next) {
        return;
    }
    // n0 -> P -> n1
    const P = n0.next;
    const n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.c

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
// 注意：stdio.h 占用了 remove 关键词
void removeNode(ListNode *n0) {
    if (!n0->next)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode *P = n0->next;
    ListNode *n1 = P->next;
    n0->next = n1;
    // 释放内存
    free(P);
}

linked_list.cs

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
void remove(ListNode n0) {
    if (n0.next == null)
        return;
    // n0 -> P -> n1
    ListNode P = n0.next;
    ListNode? n1 = P.next;
    n0.next = n1;
}

linked_list.swift

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
func remove(n0: ListNode) {
    if n0.next == nil {
        return
    }
    // n0 -> P -> n1
    let P = n0.next
    let n1 = P?.next
    n0.next = n1
    P?.next = nil
}

linked_list.zig

// 删除链表的节点 n0 之后的首个节点
fn remove(n0: ?*inc.ListNode(i32)) void {
    if (n0.?.next == null) return;
    // n0 -> P -> n1
    var P = n0.?.next;
    var n1 = P.?.next;
    n0.?.next = n1;
}

4.2.2. 链表缺点¶

链表访问节点效率较低。如上节所述，数组可以在 \(O(1)\) 时间下访问任意元素。然而，链表无法直接访问任意节点，这是因为系统需要从头节点出发，逐个向后遍历直至找到目标节点。例如，若要访问链表索引为 index（即第 index + 1 个）的节点，则需要向后遍历 index 轮。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

linked_list.java

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode access(ListNode head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == null)
            return null;
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.cpp

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode *access(ListNode *head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == nullptr)
            return nullptr;
        head = head->next;
    }
    return head;
}

linked_list.py

def access(head: ListNode, index: int) -> ListNode | None:
    """访问链表中索引为 index 的节点"""
    for _ in range(index):
        if not head:
            return None
        head = head.next
    return head

linked_list.go

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
func access(head *ListNode, index int) *ListNode {
    for i := 0; i < index; i++ {
        if head == nil {
            return nil
        }
        head = head.Next
    }
    return head
}

linked_list.js

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
function access(head, index) {
    for (let i = 0; i < index; i++) {
        if (!head) {
            return null;
        }
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.ts

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
function access(head: ListNode | null, index: number): ListNode | null {
    for (let i = 0; i < index; i++) {
        if (!head) {
            return null;
        }
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.c

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode *access(ListNode *head, int index) {
    while (head && head->next && index) {
        head = head->next;
        index--;
    }
    return head;
}

linked_list.cs

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
ListNode? access(ListNode head, int index) {
    for (int i = 0; i < index; i++) {
        if (head == null)
            return null;
        head = head.next;
    }
    return head;
}

linked_list.swift

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
func access(head: ListNode, index: Int) -> ListNode? {
    var head: ListNode? = head
    for _ in 0 ..< index {
        if head == nil {
            return nil
        }
        head = head?.next
    }
    return head
}

linked_list.zig

// 访问链表中索引为 index 的节点
fn access(node: ?*inc.ListNode(i32), index: i32) ?*inc.ListNode(i32) {
    var head = node;
    var i: i32 = 0;
    while (i < index) : (i += 1) {
        head = head.?.next;
        if (head == null) return null;
    }
    return head;
}

链表的内存占用较大。链表以节点为单位，每个节点除了保存值之外，还需额外保存指针（引用）。这意味着在相同数据量的情况下，链表比数组需要占用更多的内存空间。

4.2.3. 链表常用操作¶

遍历链表查找。遍历链表，查找链表内值为 target 的节点，输出节点在链表中的索引。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

linked_list.java

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != null) {
        if (head.val == target)
            return index;
        head = head.next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.cpp

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode *head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != nullptr) {
        if (head->val == target)
            return index;
        head = head->next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.py

def find(head: ListNode, target: int) -> int:
    """在链表中查找值为 target 的首个节点"""
    index = 0
    while head:
        if head.val == target:
            return index
        head = head.next
        index += 1
    return -1

linked_list.go

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
func findNode(head *ListNode, target int) int {
    index := 0
    for head != nil {
        if head.Val == target {
            return index
        }
        head = head.Next
        index++
    }
    return -1
}

linked_list.js

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
function find(head, target) {
    let index = 0;
    while (head !== null) {
        if (head.val === target) {
            return index;
        }
        head = head.next;
        index += 1;
    }
    return -1;
}

linked_list.ts

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
function find(head: ListNode | null, target: number): number {
    let index = 0;
    while (head !== null) {
        if (head.val === target) {
            return index;
        }
        head = head.next;
        index += 1;
    }
    return -1;
}

linked_list.c

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode *head, int target) {
    int index = 0;
    while (head) {
        if (head->val == target)
            return index;
        head = head->next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.cs

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
int find(ListNode head, int target) {
    int index = 0;
    while (head != null) {
        if (head.val == target)
            return index;
        head = head.next;
        index++;
    }
    return -1;
}

linked_list.swift

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
func find(head: ListNode, target: Int) -> Int {
    var head: ListNode? = head
    var index = 0
    while head != nil {
        if head?.val == target {
            return index
        }
        head = head?.next
        index += 1
    }
    return -1
}

linked_list.zig

// 在链表中查找值为 target 的首个节点
fn find(node: ?*inc.ListNode(i32), target: i32) i32 {
    var head = node;
    var index: i32 = 0;
    while (head != null) {
        if (head.?.val == target) return index;
        head = head.?.next;
        index += 1;
    }
    return -1;
}

4.2.4. 常见链表类型¶

单向链表。即上述介绍的普通链表。单向链表的节点包含值和指向下一节点的指针（引用）两项数据。我们将首个节点称为头节点，将最后一个节点成为尾节点，尾节点指向 \(\text{null}\) 。

环形链表。如果我们令单向链表的尾节点指向头节点（即首尾相接），则得到一个环形链表。在环形链表中，任意节点都可以视作头节点。

双向链表。与单向链表相比，双向链表记录了两个方向的指针（引用）。双向链表的节点定义同时包含指向后继节点（下一节点）和前驱节点（上一节点）的指针。相较于单向链表，双向链表更具灵活性，可以朝两个方向遍历链表，但相应地也需要占用更多的内存空间。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#SwiftZig

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向后继节点的指针（引用）
    ListNode prev;  // 指向前驱节点的指针（引用）
    ListNode(int x) { val = x; }  // 构造函数
}

/* 双向链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode *next;  // 指向后继节点的指针（引用）
    ListNode *prev;  // 指向前驱节点的指针（引用）
    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr), prev(nullptr) {}  // 构造函数
};

class ListNode:
    """双向链表节点类"""
    def __init__(self, val: int):
        self.val: int = val                   # 节点值
        self.next: Optional[ListNode] = None  # 指向后继节点的指针（引用）
        self.prev: Optional[ListNode] = None  # 指向前驱节点的指针（引用）

/* 双向链表节点结构体 */
type DoublyListNode struct {
    Val  int             // 节点值
    Next *DoublyListNode // 指向后继节点的指针（引用）
    Prev *DoublyListNode // 指向前驱节点的指针（引用）
}

// NewDoublyListNode 初始化
func NewDoublyListNode(val int) *DoublyListNode {
    return &DoublyListNode{
        Val:  val,
        Next: nil,
        Prev: nil,
    }
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    val;
    next;
    prev;
    constructor(val, next, prev) {
        this.val = val  ===  undefined ? 0 : val;        // 节点值
        this.next = next  ===  undefined ? null : next;  // 指向后继节点的指针（引用）
        this.prev = prev  ===  undefined ? null : prev;  // 指向前驱节点的指针（引用）
    }
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    val: number;
    next: ListNode | null;
    prev: ListNode | null;
    constructor(val?: number, next?: ListNode | null, prev?: ListNode | null) {
        this.val = val  ===  undefined ? 0 : val;        // 节点值
        this.next = next  ===  undefined ? null : next;  // 指向后继节点的指针（引用）
        this.prev = prev  ===  undefined ? null : prev;  // 指向前驱节点的指针（引用）
    }
}

/* 双向链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;               // 节点值
    struct ListNode *next; // 指向后继节点的指针（引用）
    struct ListNode *prev; // 指向前驱节点的指针（引用）
};

typedef struct ListNode ListNode;

/* 构造函数 */
ListNode *newListNode(int val) {
    ListNode *node, *next;
    node = (ListNode *) malloc(sizeof(ListNode));
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    node->prev = NULL;
    return node;
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    int val;        // 节点值
    ListNode next;  // 指向后继节点的指针（引用）
    ListNode prev;  // 指向前驱节点的指针（引用）
    ListNode(int x) => val = x;  // 构造函数
}

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {
    var val: Int // 节点值
    var next: ListNode? // 指向后继节点的指针（引用）
    var prev: ListNode? // 指向前驱节点的指针（引用）

    init(x: Int) { // 构造函数
        val = x
    }
}

// 双向链表节点类
pub fn ListNode(comptime T: type) type {
    return struct {
        const Self = @This();

        val: T = 0, // 节点值
        next: ?*Self = null, // 指向后继节点的指针（引用）
        prev: ?*Self = null, // 指向前驱节点的指针（引用）

        // 构造函数
        pub fn init(self: *Self, x: i32) void {
            self.val = x;
            self.next = null;
            self.prev = null;
        }
    };
}

常见链表种类

Fig. 常见链表种类

4.2. 链表¶

4.2.1. 链表优点¶

4.2.2. 链表缺点¶

4.2.3. 链表常用操作¶

4.2.4. 常见链表类型¶

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