【算法】Java-使用数组模拟单向链表，双向链表

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试题1：实现一个单链表，并实现以下功能：

试题2：实现一个双链表，并实现以下功能

思路总结：

什么情况下可能涉及到用数组实现链表呢？

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      在学习时了解到了可以用数组模拟链表，使其兼顾数据查找快，链表新增和删除快的缺点，找来一些试题实现了下，如下：

试题1：实现一个单链表，并实现以下功能：

Java代码实现：

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;import java.util.Scanner;public class ArrayLinkedList {public static final int N = 100000;private int head; // headprivate int idx; // 存储新元素的索引下标private int[] e; // 存放数据的数组；private int[] ne; // 当前节点的下一个节点的地址(数组下标)。比如使用头插法,单向链表,e[5] = 5,e[5]的下一个节点的坐标是ne[5],下一个节点是e[ne[5]]public ArrayLinkedList() {e = new int[N];ne = new int[N];head = -1;idx = 0;}public void insertToHead(int val) {e[idx] = val;ne[idx] = head; // head的值是头结点指向的下一个元素的下标值head = idx++;}/*** 将val插入到索引k后面** @param k* @param val*/public void insert(int k, int val) {e[idx] = val;ne[idx] = ne[k];ne[k] = idx++;}/*** 删除k节点后面的节点(只删一个)** @param k*/public void remove(int k) {if (k + 1 == 0) {head = ne[head];} else {ne[k] = ne[ne[k]];}}public static void main(String[] args) {System.out.println("请输入:");Scanner scanner = new Scanner(System.in);ArrayLinkedList arrayLinkedList = new ArrayLinkedList();int head = arrayLinkedList.head;int[] e = arrayLinkedList.e;int[] ne = arrayLinkedList.ne;while (scanner.hasNextLine()) {String inputString = scanner.nextLine();if (StringUtils.isBlank(inputString)) {break;}String[] inputArr = inputString.split(" ");String f = inputArr[0];int s = Integer.valueOf(inputArr[1]);switch (f) {case "H":arrayLinkedList.insertToHead(s);break;case "D":arrayLinkedList.remove(s - 1); // 第k个插入的数，idx是k-1break;case "I":int val = Integer.valueOf(inputArr[2]);arrayLinkedList.insert(s - 1, val);break;}}for (int i = head; i != -1; i = ne[i]) {System.out.print(e[i] + " ");}scanner.close();}
}

试题2：实现一个双链表，并实现以下功能

Java代码实现：

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;import java.util.Scanner;/*** 支持的操作：* 1、在最左侧插入一个数；* 2、在最右侧插入一个数；* 3、将第k个插入的数删除；* 4、在第k个插入的数左侧插入一个数；* 5、在第k个插入的数右侧插入一个数*/
public class TwoWayLinkedList2 {public static final int N = 100000;// 存放数组的数据private int[] e;// 存放左指针下标数组private int[] l;// 存放右指针地址数组private int[] r;// 数组待存储下标private int idx;// e[0]表示链表头；e[1]表示链表尾// 向左侧插入，就是插入到上一个节点的右侧。所以插入的逻辑都抽象成插入到具体节点的右侧// 构造方法public TwoWayLinkedList2() {e = new int[N];r = new int[N];l = new int[N];r[0] = 1;l[1] = 0;idx = 2;}/*** 将节点插入到e[k]节点右侧** @param k* @param val*/public void add(int k, int val) {e[idx] = val;l[idx] = k;r[idx] = r[k];l[r[k]] = idx;r[k] = idx;idx++;}/*** 删除e[k]** @param k*/public void remove(int k) {r[l[k]] = r[k];l[r[k]] = l[k];}public static void main(String[] args) {System.out.println("请输入:");Scanner scanner = new Scanner(System.in);TwoWayLinkedList2 linkedList = new TwoWayLinkedList2();int[] e = linkedList.e;int[] l = linkedList.l;int[] r = linkedList.r;while (scanner.hasNextLine()) {String inputString = scanner.nextLine();if (StringUtils.isBlank(inputString)) {break;}String[] inputArr = inputString.split(" ");String f = inputArr[0];Integer s = Integer.valueOf(inputArr[1]);switch (f) {case "L":linkedList.add(0, s);break;case "R":linkedList.add(l[1], s);break;case "D":linkedList.remove(s + 1); // 第k个插入的数，idx是k+1,因为我们用了0和1表示链表头和链表尾break;case "IL":linkedList.add(l[s + 1], Integer.valueOf(inputArr[2]));break;case "IR":linkedList.add(s + 1, Integer.valueOf(inputArr[2]));break;}}// 遍历输出for (int i = r[0]; i != 1; i = r[i]) {System.out.printf("" + e[i]);}scanner.close();}
}

思路总结：

       数组实现链表，一个数组用于存放数据，一个数组存放"指针"，这里的指针用数组下标代替。如果是双向链表，要用两个数组存放指针。同时要注意首节点和尾结点的记录方法。在实现双链表时，我曾用两个变量表示首尾节点，对比起来，没有用e[0],e[1]表示简洁，而且非常容易搞混。占用第0位和第1位保存链表头和尾时要注意初始的idx=2，第k个插入的元素的索引下标是k+1。大家可以使用更多方法实现，过程虽然曲折，但一顿操作下来，对链表的操作会非常的熟练。

什么情况下可能涉及到用数组实现链表呢？

        在没有操作系统和内存管理的情况下。

1. 链表的实现需要动态内存分配和释放,这需要操作系统提供的堆内存管理。没有 OS 的动态内存管理,就无法真正实现链表节点的创建和销毁。

2. 链表通过指针链接节点,需要操作系统提供的指针和地址引用机制。没有 OS,就无法真正用指针建立节点之间的链接关系。

3. 数组可以预先分配一块内存,这个内存块可以视为堆内存,用下标代替指针,通过数组操作就可以模拟出指针操作。

4. 数组是一块连续的内存,空间固定,不需要动态扩展,所以定义数组后直接就可以使用,不依赖动态内存管理。

5. 数组中的每个元素是连续存储的,通过下标可以直接访问,不需要指针来进行寻址。可以模拟指针的移动,改变指针的指向来实现链表的操作。

        这里我们从算法分析和学习的角度来看这个问题，但不适合实际项目,只能处理规模较小的数据。要实现一个真正的可扩展链表,还需在操作系统上进行动态内存管理。