看得見的資料結構Android版之雙鏈表的實現

摘要： 零、前言 1.上一篇分析了單鏈表，連結串列是一種資料結構，用來承載資料，每個表節點裝載一個數據元素 2.雙鏈表是每個節點除了資料元素外還分別持有前、後兩個節點的引用 3.為了統一節點的操作，一般在真實連結串列的首尾各加一個虛擬節點，稱為頭節點和尾節點 4.如果說單鏈表是一列火車...

零、前言

1.上一篇分析了單鏈表，連結串列是一種資料結構，用來承載資料，每個表節點裝載一個數據元素

2.雙鏈表是每個節點除了資料元素外還分別持有前、後兩個節點的引用

3.為了統一節點的操作，一般在真實連結串列的首尾各加一個虛擬節點，稱為頭節點和尾節點

4.如果說單鏈表是一列火車，那雙鏈表就是一輛雙頭加固版火車，java中的LinkedList底層便是此結構

5.本例操作演示原始碼： Android" target="_blank" rel="nofollow,noindex">希望你可以和我在Github一同見證：DS4Android的誕生與成長，歡迎star

1.留圖鎮樓：雙鏈表的最終實現的操作效果:

2.對於雙鏈表簡介：

雙鏈表是對節點(Node)的操作，而節點(Node)又承載資料(T)
總的來看，雙鏈表通過操作節點(Node)從而操作資料(T)，就像車廂運送獲取，車廂只是載體，貨物是我們最關注
雙鏈表不同於單鏈表至處在於一個節點同時持有前、後兩個節點的引用，使得對頭尾操作都方便 

Node只不過是一個輔助工具，並不會暴露在外。它與資料相對應，又使資料按鏈式排布，
操縱節點也就等於操縱資料，就像提線木偶，並不是直接操作木偶的各個肢體本身(資料T)。

為了統一節點的操作，通常在連結串列最前面新增一個虛擬頭(headNode)和虛擬尾(tileNode)(封裝在內中，不暴露)

3.雙鏈表的實現：本文要務

一、雙鏈表結構的實現：LinkedChart

1.表的介面定義在 陣列表篇 ，這裡就不貼了

這裡給出實現介面後的LinkedChart以及簡單方法的實現

/**
 * 作者：張風捷特烈<br/>
 * 時間：2018/11/22 0022:15:36<br/>
 * 郵箱：[email protected]<br/>
 * 說明：雙鏈表實現表結構
 */
public class LinkedChart<T> implements IChart<T> {
private Node headNode;//虛擬尾節點--相當於頭部火車頭
private Node tailNode;//虛擬尾節點--相當於尾部火車頭
private int size;//元素個數

public SingleLinkedChart() {//一開始兩個火車頭彼此相連
headNode = new Node(null, null, null);//例項化頭結點
tailNode = new Node(headNode, null, null);//例項化尾節點，並將prev指向頭
headNode.next = tailNode;//頭指尾
size = 0;//連結串列長度置零
}

@Override
public void add(int index, T el) {
}

@Override
public void add(T el) {
add(size, el);
}

@Override
public T remove(int index) {
return null;
}

@Override
public T remove() {
return remove(size);
}

@Override
public int removeEl(T el) {
return 0;
}

@Override
public boolean removeEls(T el) {
return false;
}

@Override
public void clear() {
headNode = new Node(null, null, null);//例項化頭結點
tailNode = new Node(headNode, null, null);//例項化尾節點，並將prev指向頭
headNode.next = tailNode;//頭指尾
size = 0;//連結串列長度置零
}

@Override
public T set(int index, T el) {
return null;
}

@Override
public T get(int index) {
return null;
}

@Override
public int[] getIndex(T el) {
return null;
}

@Override
public boolean contains(T el) {
return getIndex(el).length != 0;
}

@Override
public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
return null;
}

@Override
public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
return null;
}

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

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

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

2.單鏈節點類(Node)的設計：

LinkedChart相當於一列雙頭火車，暫且按下，先把車廂的關係弄好，最後再拼接列車會非常方便

這裡將Node作為LinkedChart的一個私有內部類，是為了隱藏Node，並能使用LinkedChart的資源

就像心臟在身體內部，外面人看不見，但它卻至關重要，並且還能獲取體內的資訊與資源

一節雙鏈車廂，最少要知道里面的 貨物(node.T) 是什麼,

它的 下一節車廂(node.next) 是哪個，以及 上一節車廂(node.prev) 是哪個

private class Node {
/**
* 資料
*/
private T el;

/**
* 前節點
*/
private Node prev;

/**
* 後節點
*/
private Node next;

private Node(Node prev, Node next, T el) {
this.el = el;
this.prev = prev;
this.next = next;
}
}

二、節點(Node)的底層操作(CRUD)----連結串列的心臟

1.查詢操作：getNode

上一篇的單鏈表查詢：相當於在一個視口一個一個挨著找車廂

雙鏈表有兩個火車頭，這就代表兩頭都能操作，所以為了儘量高效，判斷一下車廂在前半還是後半

這樣比起單鏈表要快上很多(越往後快得越明顯)

/**
* 根據索引獲取節點
*
* @param index 索引
* @return 索引處節點
*/
 private Node<T> getNode(int index) {
Node<T> targetNode;//宣告目標節點
if (index < 0 || index > size - 1) { //索引越界處理
throw new IndexOutOfBoundsException();
}
//如果索引在前半,前序查詢
if (index < size / 2) {
targetNode = headNode.next;
for (int i = 0; i < index; i++) {
targetNode = targetNode.next;
}
} else {//如果索引在後半,反序查詢
targetNode = tailNode.prev;
for (int i = size - 1; i < index; i++) {
targetNode = targetNode.prev;
}
}
return targetNode;
 }

2.插入操作：addNode()

還是想下火車頭：想在T0和T1車廂之間插入一節T3車廂怎麼辦?

第一步：將T0的後鏈栓到T3上，T3的前鏈栓到T0上-----完成了T0和T3的連線

第二步：將T3的後鏈栓到T2上，T1的前鏈栓到T3上-----完成了T1和T3的連線

/**
 * 根據目標節點插入新節點--目標節點之前
 *
 * @param target 目標節點
 * @param el新節點資料
 */
private void addNode(Node target, T el) {
//想在T0和T1車廂之間插入一節T3車廂為例：
//新建T3,將前、後指向分別指向T0和T1
Node newNode = new Node(target.prev, target, el);
//T0的next指向T3
target.prev.next = newNode;
//T1的prev指向T3
target.prev = newNode;
//大功告成：連結串列長度+1
size++;
}

3.移除操作：removeNode()

還是想下火車頭：如何刪除T1:

很簡單：T0和T2手拉手就行了，然後再讓T1孤獨的離去...

/**
 * 移除目標節點
 *
 * @param target 目標節點
 * @return 目標節點資料
 */
private T removeNode(Node target) {
//目標前節點的next指向目標節點後節點
target.prev.next = target.next;
//目標後節點的prev指向目標節點前節點
target.next.prev = target.prev;
target.prev = null;//放開左手
target.next = null;//放開右手---揮淚而去
//連結串列長度-1
size--;
return target.el;
}

3.修改節點：setNode

/**
 * 修改節點
 *
 * @param index 節點位置
 * @param el資料
 * @return 修改後的節點
 */
private T setNode(int index, T el) {
Node node = getNode(index);
T tempNode = node.el;
node.el = el;
return tempNode;
}

4.清空操作：clearNode()

思路和刪除一樣：首尾虛擬節點互指，中間沒有元素,形式上看，當前連結串列上全部刪除

重新例項化頭結點------火車頭說：老子從頭(null)開始，不帶你們玩了，

重新例項化尾節點------火車尾說：老孃從頭(null)開始，不帶你們玩了，

於是火車頭和火車尾，手牽手，走向遠方...

/**
 * 清空所有節點
 */
private void clearNode() {
//例項化頭結點
headNode = new Node<T>(null, null, null);
//例項化尾節點，並將prev指向頭
tailNode = new Node<T>(headNode, null, null);
headNode.next = tailNode;
//連結串列長度置零
size = 0;
}

二、利用連結串列實現對資料的操作

連結串列只是對節點的操作，只是一種結構，並非真正目的，最終要讓連結串列對外不可見,就像人的骨骼之於軀體

軀體的任何動作是骨骼以支撐,而骨骼並不可見，從外來看只是軀體的動作而已。

我們需要的是按照這種結構對資料進行增刪改查等操作，並暴露介面由外方呼叫

1、定點新增操作--add

@Override
public void add(int index, T el) {
// index可以取到size，在連結串列末尾空位置新增元素。
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("Add failed. Illegal index");
}
addNode(getNode(index), el);
}

2.定點移除操作--remove

@Override
public T remove(int index) {
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Illegal index");
}
return removeNode(getNode(index));
}

3.獲取和修改--get和set

@Override
public T get(int index) {
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("Get failed. Illegal index");
}
return getNode(index).el;
}

@Override
public T set(int index, T el) {
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("ISet failed. Illegal index");
}
return setNode(index, el);
}

四、其他操作

和單鏈表基本一致，就不演示了。

1.是否包含某元素：

@Override
public boolean contains(T el) {
Node target = headNode;
while (target.next != null) {
if (el.equals(target.next)) {
return true;
}
}
return false;
}

2.根據指定元素獲取匹配索引

@Override
public int[] getIndex(T el) {
int[] tempArray = new int[size];//臨時陣列
int index = 0;//重複個數
int count = 0;
Node node = headNode.next;
while (node.next != null) {
if (el.equals(node.el)) {
tempArray[index] = -1;
count++;
}
index++;
node = node.next;
}
int[] indexArray = new int[count];//將臨時陣列壓縮
int indexCount = 0;
for (int i = 0; i < tempArray.length; i++) {
if (tempArray[i] == -1) {
indexArray[indexCount] = i;
indexCount++;
}
}
return indexArray;
}

3.按元素移除：(找到，再刪除...)

@Override
public int removeEl(T el) {
int[] indexes = getIndex(el);
int index = -1;
if (indexes.length > 0) {
index = indexes[0];
remove(indexes[0]);
}
return index;
}

@Override
public boolean removeEls(T el) {
int[] indexArray = getIndex(el);
if (indexArray.length != 0) {
for (int i = 0; i < indexArray.length; i++) {
remove(indexArray[i] - i); // 注意-i
}
return true;
}
return false;
}

4.定點連線兩個單鏈表

///////////////只是實現一下，getHeadNode和getLastNode破壞了Node的封裝性，不太好/////////////
@Override
public IChart<T> contact(IChart<T> iChart) {
return contact(0, iChart);
}

@Override
public IChart<T> contact(int index, IChart<T> iChart) {
if (!(iChart instanceof LinkedChart)) {
return null;
}
if (index < 0 || index > size) {
throw new IllegalArgumentException("Contact failed. Illegal index");
}
LinkedChart linked = (LinkedChart) iChart;
Node targetNode = getNode(index);
Node targetNextNode = targetNode.next;
//目標節點的next指向待接連結串列的第一個節點
targetNode.next = linked.getHeadNode().next;
//向待接連結串列的第一個節點的prev指向目標節點
linked.getHeadNode().next.prev = targetNode;
//目標節點的下一節點指的prev向待接連結串列的最後一個節點
targetNextNode.prev = linked.getLastNode().prev;
//向待接連結串列的最後一個節點的next指向目標節點的下一節點的
linked.getLastNode().prev.next = targetNextNode;
return this;
}
public Node getHeadNode() {
return headNode;
}
public Node getLastNode() {
return tailNode;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////

五、小結：

1.優劣分析

優點：動態建立，節省空間
頭部、尾部新增容易
定點插入/刪除總體上優於陣列表(因為最多找一半，陣列表最多全部)
缺點：空間上不連續，造成空間碎片化
查詢相對困難，只能從頭開始或結尾一個一個找(但比單鏈表優秀)
使用場景：[雙鏈表]增刪效能總體優於[陣列表]和[單鏈表]，頻繁增刪不定位置時[雙鏈表]最佳

2.最後把檢視一起說了吧

介面都是相同的，底層實現更換了，並不會影響檢視層，只是把檢視層的單體繪製更改一下就行了。

詳細的繪製方案見 這裡

/**
 * 繪製表結構
 *
 * @param canvas
 */
private void dataView(Canvas canvas) {
mPaint.setColor(Color.BLUE);
mPaint.setStyle(Paint.Style.FILL);
mPath.reset();
for (int i = 0; i < mArrayBoxes.size(); i++) {
LinkedNode box = mArrayBoxes.get(i);
mPaint.setColor(box.color);
canvas.drawRoundRect(
box.x, box.y, box.x + Cons.BOX_WIDTH, box.y + Cons.BOX_HEIGHT,
BOX_RADIUS, BOX_RADIUS, mPaint);
mPath.moveTo(box.x, box.y);
mPath.rCubicTo(Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2,
Cons.BOX_WIDTH / 2, Cons.BOX_HEIGHT / 2, Cons.BOX_WIDTH, 0);
if (i < mArrayBoxes.size() - 1 ) {
LinkedNode box_next = mArrayBoxes.get(i + 1);
LinkedNode box_now = mArrayBoxes.get(i);
if (i % LINE_ITEM_NUM == LINE_ITEM_NUM - 1) {//邊界情況
mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT);
mPath.lineTo(box_next.x + Cons.BOX_WIDTH, box_next.y);
mPath.rLineTo(Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
mPath.moveTo(box_next.x, box_next.y);
mPath.lineTo(box_now.x, box_now.y+Cons.BOX_HEIGHT);
mPath.rLineTo(-Cons.ARROW_DX, Cons.ARROW_DX);
} else {
mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT / 2.2f);
mPath.lineTo(box_next.x+Cons.BOX_WIDTH * 0.2f, box_next.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2f);
mPath.rLineTo(-Cons.ARROW_DX, -Cons.ARROW_DX);
mPath.moveTo(box_next.x, box_next.y);
mPath.rLineTo(0, Cons.BOX_HEIGHT / 1.2f);
mPath.lineTo(box_now.x + Cons.BOX_WIDTH * 0.8f, box_now.y + Cons.BOX_HEIGHT * 0.8f);
mPath.rLineTo(Cons.ARROW_DX, Cons.ARROW_DX);
}
}
canvas.drawPath(mPath, mPathPaint);
canvas.drawText(box.index + "",
box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
box.y + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
canvas.drawText(box.data + "",
box.x + Cons.BOX_WIDTH / 2,
box.y + Cons.BOX_HEIGHT / 2 + 3 * OFFSET_OF_TXT_Y, mTxtPaint);
}
}

後記：捷文規範

本系列後續更新連結合集：(動態更新)

2.本文成長記錄及勘誤表

專案原始碼	日期	備註
V0.1--github	2018-11-23	看得見的資料結構Android版之雙鏈表的實現

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