链表

先给出自定义的list接口，后面几种链表的实现了该接口

public interface List<E> {
    //统计顺序表元素个数
    int size();

    //判断顺序表是否为空
    boolean isEmpty();

    //判断顺序表内是否有某个元素
    boolean contains(Object o);

    //向顺序表添加元素，添加成功放回true，向表尾添加
    boolean add(E e);

    //根据索引获取元素
    E get(int index);

    //根据索引设置元素
    void set(int index, E value);

    //根据索引移除元素
    E remove(int index);

    //向表头添加元素
    void addFirst(E e);

    //移除表头元素
    E removeFirst();

    //移除表尾元素
    E removeLast();
}

单向链表的实现

public class SingleLinkedList<E> implements List<E> {
    private int size = 0;
    private Node<E> first;//链表头
    private Node<E> last;//链表尾

    public SingleLinkedList() {}
    //内部类，对链表节点的抽象
    private static class Node<E>{
        E data;
        Node<E> next;

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

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public boolean contains(Object o) {
        //引用类型为空
        if(o == null) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.data == null)
                    return true;
            }
        }
        else{
            //引用类型需要用equals()方法
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.data))
                    return true;
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        final Node<E> l = last;//尾节点要指向新节点，先保存当前尾节点

        final Node<E> node = new Node(e);
        last = node;
        //链表为空
        if (!isEmpty())
            first = node;//链表为空则新增节点成为首节点
        else
            l.next = node;//原尾节点指向新增节点
        size ++;
        return true;
    }

    private void CheckIndex(int index){
        //当索引超出范围，抛出异常
        if( index < 0 || index > size - 1 )
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + index + " out of bounds");
    }
    @Override
    public E get(int index) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x = first;
        //遍历到索引位置
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            x = x.next;
        }
        //返回数据
        return x.data;
    }

    @Override
    public void set(int index, E value) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x = first;
        //遍历到索引位置
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            x = x.next;
        }
        //修改数据
        x.data = value;
    }

    @Override
    public E remove(int index) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x;//待删除节点
        Node<E> p = first;//删除节点的前一个
        //待删除的是头节点
        if (index == 0) {
            x = first;
            first = first.next;
        } else {
            //遍历到被删除节点的前一个
            for (int i = 0; i < index - 1; i++) {
                p = p.next;
            }
            x = p.next;//得到被删除节点
            p.next = x.next;
        }
        size --;
        return x.data;
    }

    @Override
    public void addFirst(E e) {
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final Node<E> f = first;
        first = node;
        //链表为空，尾节点也要指向当前节点
        if (size == 0) {
            last = node;
        } else {
            node.next = f;
        }
        size ++;
    }

    @Override
    public E removeFirst() {
        return remove(0);
    }

    @Override
    public E removeLast() {
        return remove(size-1);
    }
}

循环链表的实现

循环链表相比单向链表，有以下部分需要对原来的代码修改。

1. contains()方法要设置退出机制
2. add()方法，链表不为空时，新增节点的next要指向first
3. remove()方法，要删除的是头节点，尾节点要指向新的first节点

public class SingleLinkedCircleList<E> implements List<E> {
    private int size = 0;
    private Node<E> first;//链表头
    private Node<E> last;//链表尾

    public SingleLinkedCircleList() {}
    
    //内部类，对链表节点的抽象
    private static class Node<E>{
        E data;
        Node<E> next;

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

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public boolean contains(Object o) {
        //引用类型为空
        if(o == null) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.data == null)
                    return true;
                //设置退出机制：
                if (x.next == first)
                    break;
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.data))
                    return true;
                //设置退出机制：
                if (x.next == first)
                    break;
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> node = new Node<E>(e);
        last = node;

        //链表为空
        if(size == 0)
            first = node;
        else{
            l.next = node;
            node.next = first;
        }
        size ++;
        return true;
    }
    private void CheckIndex(int index){
        //当索引超出范围，抛出异常
        if( index < 0 || index > size - 1 )
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + index + " out of bounds");
    }
    @Override
    public E get(int index) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x = first;
        //遍历到索引位置
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        //返回数据
        return x.data;
    }

    @Override
    public void set(int index, E value) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x = first;
        //遍历到索引位置
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        //修改数据
        x.data = value;
    }

    @Override
    public E remove(int index) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x;//待删除节点
        Node<E> p = first;//删除节点的前一个
        //待删除的是头节点，尾节点要指向新的头节点
        if (index == 0) {
            x = first;
            first = first.next;
            last.next = first;
        }
        else{
            //遍历到被删除节点的前一个
            for (int i = 0; i < index - 1; i++)
                p = p.next;
            x = p.next;//得到被删除节点
            p.next = x.next;
        }
        size --;
        return x.data;
    }

    @Override
    public void addFirst(E e) {
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final Node<E> f = first;
        first = node;
        //链表为空，尾节点也要指向当前节点
        if (size == 0) {
            last = node;
        } else {
            node.next = f;
            last.next = node;
        }
        size ++;
    }

    @Override
    public E removeFirst() {
        return remove(0);
    }

    @Override
    public E removeLast() {
        return remove(size - 1);
    }
}

循环链表解决约瑟夫问题

N个人围成一圈，从第K个开始报数，第M个将被杀掉，最后剩下一个，其余人都将被杀掉。例如N=6，K=1，M=5，被杀掉的顺序是：5，4，6，2，3。

约瑟夫问题用链表求解非常简单，首先last和first先同时移动k-1步，然后进入循环，每前进m-1步就删除当前first指向的节点，删除用两句代码就可以实现：first = first.next; last.next = first 。
将约瑟夫问题解决方法也封装到了循环链表中。

public void JosephSolution(int num, int start, int m){
        SingleLinkedCircleList<Integer> list = new SingleLinkedCircleList<Integer>();
        //初始化约瑟夫环
        for (int i = 0; i < num; i++)
            list.add(i+1);
        System.out.println("约瑟夫问题的出圈顺序");
        //移动(start - 1)到起始位置
        for (int i = 0; i < start - 1; i++) {
            list.first = list.first.next;
            list.last = list.last.next;
        }
        while(true){
            if(list.first == list.last) {
                System.out.println(list.first.data + "/n出圈结束");
                break;
            }
            //每向下走(m-1)次到达需要删除的节点上。
            for (int i = 0; i < m - 1; i++) {
                list.last = list.last.next;
                list.first = list.first.next;
            }
            System.out.printf(list.first.data + "->");
            //以下两行是解决问题的关键所在，删除了当前first节点。first指向下一节点。
            list.first = list.first.next;
            list.last.next = list.first;
        }
    }

双向链表的实现

双向链表可以在任意节点向前向后遍历，查找效率高于单向链表。不过会占据更多存储空间。与单向链表相比，以下部分需要修改。

• add()方法，链表不为空时，新增节点的next要指向first。
• get()和set()方法，根据索引位置选择从头找还是从尾找。
• remove方法，从头开始找，删除头节点要特殊处理，其它情况时，被删除节点的下一节点的前驱指向p(此时p是被删除节点的前驱)；从尾开始找，删除为尾点节点要特殊处理，其它情况时，被删除节点的下一节点的后驱指向p(此时p是被删除节点的后驱)。从头从尾处理是对称的。
• addFirst()方法，链表不为空时，原来的首节点的前驱要指向当前新增加的节点。

public class LinkedList<E> implements List<E> {
    private int size = 0;
    private Node<E> first;//链表头
    private Node<E> last;//链表尾
    //内部类，对链表节点的抽象
    public LinkedList() {}

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

        public Node(E data) {
            this.data = data;
        }
    }
    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public boolean contains(Object o) {
        //引用类型为空
        if(o == null) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.data == null)
                    return true;
            }
        }
        else{
            //引用类型需要用equals()方法
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.data))
                    return true;
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        final Node<E> node = new Node<E>(e);
        final Node<E> l = last;
        last = node;
        //链表为空
        if(isEmpty()){
            first = node;
        }else{
            l.next = node;
            node.prev = l;
        }
        size ++;
        return true;
    }
    private void CheckIndex(int index){
        //当索引超出范围，抛出异常
        if( index < 0 || index > size - 1 )
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + index + " out of bounds");
    }
    @Override
    public E get(int index) {
        CheckIndex(index);
        Node<E> x;
        //索引靠后，则从前往后遍历
        if(index < (size >> 1)){
            x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
        }
        //索引靠后从后往前找
        else{
            x = last;
            for (int i = 0; i < size - index - 1; i++)
                x = x.prev;
        }
        return x.data;
    }

    @Override
    public void set(int index, E value) {
        Node<E> x;
        CheckIndex(index);
        if(index < (size >> 1)){
            x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
        }
        //索引靠后从后往前找
        else{
            x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
        }
        x.data = value;
    }

    @Override
    public E remove(int index) {
        CheckIndex(index);
        final Node<E> x;//指向被删除节点
        Node<E> p;//指向被删除节点的前驱节点或者后驱节点

        //索引靠后，则从前往后遍历
        if (index < (size >> 1)) {
            //删除头指针，特殊处理
            if (index == 0) {
                x = first;
                first = x.next;
            } else {
                p = first;//从前往后找被删除节点的前驱节点
                for (int i = 0; i < index - 1; i++)
                    p = p.next;
                x = p.next;//x指向被删除节点
                p.next = x.next;
                x.next.prev = p;//被删除节点的下一节点的前驱指向p
            }
        }
        //索引靠后从后往前找
        else {
            //因为是从后往前找，删除尾节点也要同上面一样的方式处理
            if (index == size - 1) {
                x = last;
                last = x.prev;
            }else {
                p = last;
                for (int i = size - 1; i > index + 1; i--)
                    p = p.prev;//从后往前找删除节点的后驱节点
                x = p.prev;
                p.prev = x.prev;
                x.prev.next = p;//被删除节点的下一节的后驱指向p
            }
        }
        size --;
        return x.data;
    }

    @Override
    public void addFirst(E e) {
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final Node<E> f = first;
        first = node;
        //链表为空，尾节点也要指向当前节点
        if (size == 0) {
            last = node;
        } else {
            node.next = f;
            f.prev = node;
        }
        size ++;
    }

    @Override
    public E removeFirst() {
        return remove(0);
    }

    @Override
    public E removeLast() {
        return remove(size - 1);
    }
}

链表的实现参考《数据结构与算法基础（Java语言实现）》 作者：柳伟卫 北京大学出版社