算法系列15天速成 第八天 线性表【下】

一：线性表的简单回顾

       上一篇跟大家聊过“线性表"顺序存储，通过实验，大家也知道，如果我每次向顺序表的头部插入元素，都会引起痉挛，效率比较低下，第二点我们用顺序存储时，容易受到长度的限制，反之就会造成空间资源的浪费。

二：链表

      对于顺序表存在的若干问题，链表都给出了相应的解决方案。

1. 概念：其实链表的“每个节点”都包含一个”数据域“和”指针域“。

            ”数据域“中包含当前的数据。

            ”指针域“中包含下一个节点的指针。

            ”头指针”也就是head，指向头结点数据。

            “末节点“作为单向链表，因为是最后一个节点，通常设置指针域为null。

代码段如下：

复制代码 代码如下:
#region 链表节点的数据结构
/// <summary>
/// 链表节点的数据结构
/// </summary>
    public class Node<T>
    {
 7/// <summary>
/// 节点的数据域
/// </summary>
        public T data;

/// <summary>
/// 节点的指针域
/// </summary>
        public Node<T> next;
    }
    #endregion

2.常用操作：

    链表的常用操作一般有：

           ①添加节点到链接尾，②添加节点到链表头，③插入节点。

           ④删除节点，⑤按关键字查找节点，⑥取链表长度。

<1> 添加节点到链接尾：

          前面已经说过，链表是采用指针来指向下一个元素，所以说要想找到链表最后一个节点，必须从头指针开始一步一步向后找,少不了一个for循环，所以时间复杂度为O(N)。

代码段如下：

复制代码 代码如下:
#region 将节点添加到链表的末尾
        /// <summary>
/// 将节点添加到链表的末尾
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListAddEnd<T>(Node<T> head, T data)
        {
            Node<T> node = new Node<T>();

            node.data = data;
            node.next = null;

            ///说明是一个空链表
            if (head == null)
            {
                head = node;
                return head;
            }

            //获取当前链表的最后一个节点
            ChainListGetLast(head).next = node;

            return head;
        }
#endregion
#region 得到当前链表的最后一个节点
        /// <summary>
/// 得到当前链表的最后一个节点
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListGetLast<T>(Node<T> head)
        {
            if (head.next == null)
                return head;
            return ChainListGetLast(head.next);
        }
        #endregion

<2> 添加节点到链表头:

          大家现在都知道，链表是采用指针指向的，要想将元素插入链表头，其实还是很简单的，

      思想就是：① 将head的next指针给新增节点的next。②将整个新增节点给head的next。

      所以可以看出，此种添加的时间复杂度为O(1)。

效果图：

代码段如下：

复制代码 代码如下:
1#region 将节点添加到链表的开头
/// <summary>
/// 将节点添加到链表的开头
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="chainList"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListAddFirst<T>(Node<T> head, T data)
        {
            Node<T> node = new Node<T>();

            node.data = data;
            node.next = head;

            head = node;

            return head;

        }
        #endregion

<3> 插入节点:

           其实这个思想跟插入到”首节点“是一个模式，不过多了一步就是要找到当前节点的操作。然后找到

      这个节点的花费是O(N）。上图上代码，大家一看就明白。

效果图：

代码段：

复制代码 代码如下:
#region 将节点插入到指定位置
/// <summary>
/// 将节点插入到指定位置
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="currentNode"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListInsert<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where, T data) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
            {
                Node<T> node = new Node<T>();

                node.data = data;

                node.next = head.next;

                head.next = node;
            }

            ChainListInsert(head.next, key, where, data);

            return head;
        }
        #endregion

<4> 删除节点:

        这个也比较简单，不解释，图跟代码更具有说服力，口头表达反而让人一头雾水。
        当然时间复杂度就为O(N)，N是来自于查找到要删除的节点。

效果图：

代码段：

复制代码 代码如下:
#region 将指定关键字的节点删除
        /// <summary>
/// 将指定关键字的节点删除
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <typeparam name="W"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="key"></param>
/// <param name="where"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListDelete<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            //这是针对只有一个节点的解决方案
            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
            {
                if (head.next != null)
                    head = head.next;
                else
                    return head = null;
            }
            else
            {
                //判断一下此节点是否是要删除的节点的前一节点
                while (head.next != null && where(head.next.data).CompareTo(key) == 0)
                {
                    //将删除节点的next域指向前一节点
                    head.next = head.next.next;
                }
            }

            ChainListDelete(head.next, key, where);

            return head;
        }
        #endregion

<5> 按关键字查找节点：

         这个思想已经包含到“插入节点”和“删除节点”的具体运用中的，其时间复杂度为O(N)。

代码段：

复制代码 代码如下:
#region 通过关键字查找指定的节点
        /// <summary>
/// 通过关键字查找指定的节点
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <typeparam name="W"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="key"></param>
/// <param name="where"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListFindByKey<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
                return head;

            return ChainListFindByKey<T, W>(head.next, key, where);
        }
        #endregion

<6> 取链表长度:

          在单链表的操作中，取链表长度还是比较纠结的，因为他不像顺序表那样是在内存中连续存储的，

      因此我们就纠结的遍历一下链表的总长度。时间复杂度为O(N)。

代码段：

复制代码 代码如下:
#region 获取链表的长度
        /// <summary>
///// 获取链表的长度
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <returns></returns>
        public int ChanListLength<T>(Node<T> head)
        {
            int count = 0;

            while (head != null)
            {
                ++count;
                head = head.next;
            }

            return count;
        }
        #endregion

好了，最后上一下总的运行代码：

复制代码 代码如下:
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace ChainList
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ChainList chainList = new ChainList();

            Node<Student> node = null;

            Console.WriteLine("将三条数据添加到链表的尾部:\n");

            //将数据添加到链表的尾部
            node = chainList.ChainListAddEnd(node, new Student() { ID = 2, Name = "hxc520", Age = 23 });
            node = chainList.ChainListAddEnd(node, new Student() { ID = 3, Name = "博客园", Age = 33 });
            node = chainList.ChainListAddEnd(node, new Student() { ID = 5, Name = "一线码农", Age = 23 });

            Dispaly(node);

            Console.WriteLine("将ID=1的数据插入到链表开头:\n");

            //将ID=1的数据插入到链表开头
            node = chainList.ChainListAddFirst(node, new Student() { ID = 1, Name = "i can fly", Age = 23 });

            Dispaly(node);

            Console.WriteLine("查找Name=“一线码农”的节点\n");

            //查找Name=“一线码农”的节点
            var result = chainList.ChainListFindByKey(node, "一线码农", i => i.Name);

            DisplaySingle(node);

            Console.WriteLine("将”ID=4“的实体插入到“博客园”这个节点的之后\n");

            //将”ID=4“的实体插入到"博客园"这个节点的之后
            node = chainList.ChainListInsert(node, "博客园", i => i.Name, new Student() { ID = 4, Name = "51cto", Age = 30 });

            Dispaly(node);

            Console.WriteLine("删除Name=‘51cto‘的节点数据\n");

            //删除Name=‘51cto‘的节点数据
            node = chainList.ChainListDelete(node, "51cto", i => i.Name);

            Dispaly(node);

            Console.WriteLine("获取链表的个数:" + chainList.ChanListLength(node));
        }

        //输出数据
        public static void Dispaly(Node<Student> head)
        {
            Console.WriteLine("******************* 链表数据如下 *******************");
            var tempNode = head;

            while (tempNode != null)
            {
                Console.WriteLine("ID:" + tempNode.data.ID + ", Name:" + tempNode.data.Name + ",Age:" + tempNode.data.Age);
                tempNode = tempNode.next;
            }

            Console.WriteLine("******************* 链表数据展示完毕 *******************\n");
        }

        //展示当前节点数据
        public static void DisplaySingle(Node<Student> head)
        {
            if (head != null)
                Console.WriteLine("ID:" + head.data.ID + ", Name:" + head.data.Name + ",Age:" + head.data.Age);
            else
                Console.WriteLine("未查找到数据！");
        }
    }

    #region 学生数据实体
    /// <summary>
/// 学生数据实体
/// </summary>
    public class Student
    {
        public int ID { get; set; }

        public string Name { get; set; }

        public int Age { get; set; }
    }
    #endregion

    #region 链表节点的数据结构
    /// <summary>
/// 链表节点的数据结构
/// </summary>
    public class Node<T>
    {
        /// <summary>
/// 节点的数据域
/// </summary>
        public T data;

        /// <summary>
/// 节点的指针域
/// </summary>
        public Node<T> next;
    }
    #endregion

    #region 链表的相关操作
    /// <summary>
/// 链表的相关操作
/// </summary>
    public class ChainList
    {
        #region 将节点添加到链表的末尾
        /// <summary>
/// 将节点添加到链表的末尾
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListAddEnd<T>(Node<T> head, T data)
        {
            Node<T> node = new Node<T>();

            node.data = data;
            node.next = null;

            ///说明是一个空链表
            if (head == null)
            {
                head = node;
                return head;
            }

            //获取当前链表的最后一个节点
            ChainListGetLast(head).next = node;

            return head;
        }
        #endregion

        #region 将节点添加到链表的开头
        /// <summary>
/// 将节点添加到链表的开头
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="chainList"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListAddFirst<T>(Node<T> head, T data)
        {
            Node<T> node = new Node<T>();

            node.data = data;
            node.next = head;

            head = node;

            return head;

        }
        #endregion

        #region 将节点插入到指定位置
        /// <summary>
/// 将节点插入到指定位置
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="currentNode"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListInsert<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where, T data) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
            {
                Node<T> node = new Node<T>();

                node.data = data;

                node.next = head.next;

                head.next = node;
            }

            ChainListInsert(head.next, key, where, data);

            return head;
        }
        #endregion

        #region 将指定关键字的节点删除
        /// <summary>
/// 将指定关键字的节点删除
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <typeparam name="W"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="key"></param>
/// <param name="where"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListDelete<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            //这是针对只有一个节点的解决方案
            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
            {
                if (head.next != null)
                    head = head.next;
                else
                    return head = null;
            }
            else
            {
                //判断一下此节点是否是要删除的节点的前一节点
                if (head.next != null && where(head.next.data).CompareTo(key) == 0)
                {
                    //将删除节点的next域指向前一节点
                    head.next = head.next.next;
                }
            }

            ChainListDelete(head.next, key, where);

            return head;
        }
        #endregion

        #region 通过关键字查找指定的节点
        /// <summary>
/// 通过关键字查找指定的节点
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <typeparam name="W"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <param name="key"></param>
/// <param name="where"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListFindByKey<T, W>(Node<T> head, string key, Func<T, W> where) where W : IComparable
        {
            if (head == null)
                return null;

            if (where(head.data).CompareTo(key) == 0)
                return head;

            return ChainListFindByKey<T, W>(head.next, key, where);
        }
        #endregion

        #region 获取链表的长度
        /// <summary>
///// 获取链表的长度
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <returns></returns>
        public int ChanListLength<T>(Node<T> head)
        {
            int count = 0;

            while (head != null)
            {
                ++count;
                head = head.next;
            }

            return count;
        }
        #endregion

        #region 得到当前链表的最后一个节点
        /// <summary>
/// 得到当前链表的最后一个节点
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="head"></param>
/// <returns></returns>
        public Node<T> ChainListGetLast<T>(Node<T> head)
        {
            if (head.next == null)
                return head;
            return ChainListGetLast(head.next);
        }
        #endregion

    }
    #endregion
}

运行结果：

当然，单链表操作中有很多是O(N)的操作，这给我们带来了尴尬的局面，所以就有了很多的优化方案，比如：双向链表，循环链表。静态链表等等，这些希望大家在懂得单链表的情况下待深一步的研究。