链表
链表(linked list)是一种线性数据结构，其中的每个元素都是一个节点对象，各个节点通过“引用”相连接。引用记录了下一个节点的内存地址，通过它可以从当前节点访问到下一个节点。
链表的设计使得各个节点可以分散存储在内存各处，它们的内存地址无须连续。
链表的组成单位是节点(node)对象。每个节点都包含两项数据：节点的“值”和指向下一节点的“引用”。
- 链表的首个节点被称为“头节点”，最后一个节点被称为“尾节点”。
- 尾节点指向的是“空”，它在 Java、C++ 和 Python 中分别被记为 null、nullptr 和 None 。
- 在 C、C++、Go 和 Rust 等支持指针的语言中，上述“引用”应被替换为“指针”。
/* 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
}
// NewListNode 构造函数，创建一个新的链表
func NewListNode(val int) *ListNode {
return &ListNode{
Val: val,
Next: nil,
}
}初始化链表
建立链表分为两步，第一步是初始化各个节点对象，第二步是构建节点之间的引用关系。初始化完成后，我们就可以从链表的头节点出发，通过引用指向 next 依次访问所有节点。
/* 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)
// 构建节点之间的引用
n0.Next = n1
n1.Next = n2
n2.Next = n3
n3.Next = n4插入节点
在链表中插入节点非常容易。
/* 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
}删除节点
删除节点的操作也很简单。
/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
func removeItem(n0 *ListNode) {
if n0.Next == nil {
return
}
// n0 -> P -> n1
P := n0.Next
n1 := P.Next
n0.Next = n1
}访问节点
在链表中访问节点的效率较低。链表需要从头节点出发，逐个向后遍历，直至找到目标节点。
/* 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
}查找节点
遍历链表，查找其中值为 target 的节点，输出该节点在链表中的索引。此过程也属于线性查找。
/* 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
}链表类型
常见的链表类型包括三种。
- 单向链表：即前面介绍的普通链表。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，将最后一个节点称为尾节点，尾节点指向空 None 。
- 环形链表：如果我们令单向链表的尾节点指向头节点（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引用。双向链表的节点定义同时包含指向后继节点（下一个节点）和前驱节点（上一个节点）的引用（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。
/* 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
Prev *DoublyListNode // 指向前驱节点的指针
}
// NewDoublyListNode 初始化
func NewDoublyListNode(val int) *DoublyListNode {
return &DoublyListNode{
Val: val,
Next: nil,
Prev: nil,
}
}链表应用
单向链表通常用于实现栈、队列、哈希表和图等数据结构。
- 栈与队列：当插入和删除操作都在链表的一端进行时，它表现出先进后出的特性，对应栈；当插入操作在链表的一端进行，删除操作在链表的另一端进行，它表现出先进先出的特性，对应队列。
- 哈希表：链式地址是解决哈希冲突的主流方案之一，在该方案中，所有冲突的元素都会被放到一个链表中。
- 图：邻接表是表示图的一种常用方式，其中图的每个顶点都与一个链表相关联，链表中的每个元素都代表与该顶点相连的其他顶点。
双向链表常用于需要快速查找前一个和后一个元素的场景。
- 高级数据结构：比如在红黑树、B 树中，我们需要访问节点的父节点，这可以通过在节点中保存一个指向父节点的引用来实现，类似于双向链表。
- 浏览器历史：在网页浏览器中，当用户点击前进或后退按钮时，浏览器需要知道用户访问过的前一个和后一个网页。双向链表的特性使得这种操作变得简单。
- LRU 算法：在缓存淘汰（LRU）算法中，我们需要快速找到最近最少使用的数据，以及支持快速添加和删除节点。这时候使用双向链表就非常合适。
环形链表常用于需要周期性操作的场景，比如操作系统的资源调度。
- 时间片轮转调度算法：在操作系统中，时间片轮转调度算法是一种常见的 CPU 调度算法，它需要对一组进程进行循环。每个进程被赋予一个时间片，当时间片用完时，CPU 将切换到下一个进程。这种循环操作可以通过环形链表来实现。
- 数据缓冲区：在某些数据缓冲区的实现中，也可能会使用环形链表。比如在音频、视频播放器中，数据流可能会被分成多个缓冲块并放入一个环形链表，以便实现无缝播放。