數據結構之鏈表【上】

1. 什麼是鏈表

鏈表是經過指針把一組零散的內存塊串聯在一塊兒的線性數據結構。

鏈表和數組的內存分佈以下圖所示：

能夠看出，鏈表和數組的最大區別在於，數組須要一塊連續的內存空間來存儲，對內存的要求較高。而鏈表不須要連續的內存空間，它經過指針將一組零散的內存塊串聯起來使用。

根據指針的不一樣使用方式，鏈表又能夠分爲單鏈表、雙向鏈表和循環鏈表。

• 單鏈表

  • 結點包括當前數據和後繼結點的地址

• 雙向鏈表

  • 結點包括當前數據、前驅結點的地址和後繼結點的地址

• 循環鏈表

  • 結點包括當前數據和後繼結點的地址，尾結點的指針指向頭結點

• 雙向循環鏈表

  • 結點包括當前數據、前驅結點的地址和後繼結點的地址，尾結點的後繼結點是頭結點，頭結點的前驅結點是尾結點

2. 鏈表的基本操做及其複雜度

2.1 查找

想要隨機訪問鏈表的第 k 個元素，就沒有數組那麼高效了。由於鏈表中的數據並不是連續存儲的，不能像數組那樣，根據下標和首地址，經過尋址公式就能直接計算出對應的內存地址。而是要根據指針一個結點一個結點的依次遍歷。所以，須要 O(n) 的時間複雜度。

特別的，對於雙向鏈表，給定一個結點，要找出其前驅結點時，時間複雜度爲 O(1)，單鏈表則仍爲 O(n)。

2.2 插入、刪除

在前一篇中咱們提到，進行數組的插入、刪除操做時，爲了保證內存的連續性，須要作大量的數據搬移，因此時間複雜度是 O(n)。

而在鏈表中插入、刪除時，由於不須要爲了保持內存的連續性而搬移結點，因此是很是快速的，只須要 O(1) 的時間複雜度。

雖然鏈表的插入、刪除操做時間複雜度只要 O(1)，可是，實際狀況下卻並不是如此。由於，在實際開發中，還須要定位到進行操做的位置。例如，在鏈表中刪除一個數據有多是這兩種狀況：

• 刪除結點中「值等於某個給定值」的結點
• 刪除給定指針指向的結點

對於第一種狀況，須要對鏈表進行遍歷，找到相應的位置而後刪除，此時刪除操做的時間複雜度爲 O(n)。

對於第二種狀況，已知了要刪除的結點，可是刪除某個結點須要知道它的前驅結點，對於單鏈表仍然須要遍歷尋找，時間複雜度爲 O(n)；而對於雙向鏈表，能夠直接找到，因此時間複雜度爲 O(1)。這也是雙向鏈表在實際開發中常常使用的緣由。

3. 鏈表和數組的比較

鏈表和數組是兩種大相徑庭的內存組織方式，正因如此，它們插入、刪除、隨機訪問的時間複雜度正好相反。

數組使用的是連續的內存空間，能夠利用空間局部性原理，藉助 CPU cache 進行預讀，因此訪問效率更高。而鏈表不是連續存儲，沒法進行緩存，隨機訪問效率也較低。

數組的缺點是大小固定，一經聲明就要佔用整塊連續的內存空間。若是聲明的數組過大，系統可能沒有足夠的連續內存空間用於分配，就會致使「內存不足（out of memory）」。而若是聲明的數組太小，當不夠用時，又須要從新申請一塊更大的內存，而後進行數據拷貝，很是費時。

而鏈表則沒有大小限制，支持動態擴容。固然，由於鏈表中每一個結點都須要存儲前驅 / 後繼結點的指針，因此內存消耗會翻倍。並且，對鏈表頻繁的插入、刪除操做會致使頻繁的內存申請和釋放，容易形成內存碎片和觸發垃圾回收（Garbage Collection, GC）。

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本文是《數據結構與算法之美》的讀書筆記，首發於公衆號《代碼寫完了》