数据结构（链表）JAVA方法的介绍

注意：

1.我们从上图中可以看出链表LinkedList继承于List接口：

如果不懂List接口的朋友们可以先看我上期作品了解一下List接口

数据结构（顺序表）JAVA方法的介绍-CSDN博客

2.本期注重讲解Java中LinkedList链表中个方法的使用：

如果不懂链表（LinkedList）的朋友们可以先看我这前的作品了解一下链表的讲解

数据结构（Linked List链表）_链表 列表-CSDN博客

那么正文开始

前言

在 Java 编程中，数据结构是编写高效、可维护代码的基础。而在众多数据结构中，链表（LinkedList）作为一种重要的线性数据结构，常常在需要频繁插入和删除操作的场景中发挥重要作用。与基于数组实现的 ArrayList 相比，链表在执行插入和删除操作时具有明显的性能优势，尤其是在数据量较大的情况下。

Java 的 LinkedList 类是一个常用的双向链表实现，支持 List、Deque 和 Queue 接口，提供了丰富的方法来操作链表元素。无论是在队列、栈的实现，还是在数据需要频繁修改的应用中，链表都能为我们提供更高效的解决方案。

本篇文章将详细介绍 Java 中 LinkedList 类的各种方法，从基础的元素添加、删除，到更高级的操作，如双向遍历和队列/栈功能等，帮助开发者深入理解链表的工作原理和在实际开发中的应用。

通过学习和掌握 LinkedList 提供的丰富 API，您可以在开发中根据不同的需求，选择最合适的数据结构，提高程序的性能和可扩展性。在今天的开发中，链表依然是许多高效算法和系统设计的核心组成部分，理解链表的使用和内部实现机制，对编写高效 Java 程序至关重要。

让我们一起深入探索 LinkedList 的各种方法及其应用，了解如何利用链表实现高效的数据操作。

1. 讲解JAVA链表中的方法

链表（LinkedList）是一个非常重要的线性数据结构，它实现了 List 接口，支持在中间进行高效的插入和删除操作。LinkedList 是基于双向链表的，每个元素（节点）包含指向前一个节点和后一个节点的指针，从而支持双向遍历。

LinkedList 是 Java 集合框架中的一个类，继承自 AbstractSequentialList，实现了 List、Deque 和 Queue 接口。它使用双向链表结构来存储元素，因此在插入和删除元素时，不需要像 ArrayList 那样移动大量元素。

1. 添加元素的方法 (add, offer, addFirst, addLast)

• 1.1 add(E e)

  • 功能：将指定元素添加到链表的末尾。
  • 返回值：true（总是成功）。
  • 示例
  • 

1.2 add(int index, E element)

• 功能：在指定的索引位置插入元素。如果索引大于当前链表的大小，元素会被添加到末尾。
• 返回值：无。
• 示例：
• 

1.3 addFirst(E e)

• 功能：将元素插入到链表的头部（即最前面）。
• 返回值：无。
• 示例
• 

1.4 addLast(E e)

• 功能：将元素添加到链表的尾部（即最后面）。
• 返回值：无。
• 示例：
• 

1.5 offer(E e)

• 功能：将元素插入到链表的末尾。它与 add 方法类似，但通常用于队列操作。offer 在队列已满时返回 false，而 add 会抛出异常。
• 返回值：true 如果元素成功添加；false 如果添加失败。
• 示例：

2. 删除元素的方法 (remove, poll, removeFirst, removeLast)

2.1 remove(Object o)

• 功能：删除链表中首次出现的指定元素。如果链表中有多个相同的元素，只会删除第一个匹配的元素。
• 返回值：如果元素存在，返回 true；否则返回 false。
• 示例：

2.2. remove(int index)

• 功能：删除指定索引位置的元素，并返回该元素。
• 返回值：被删除的元素。
• 示例：

2.3 removeFirst()

• 功能：删除链表头部的第一个元素。
• 返回值：返回被删除的元素。
• 示例：
• 

2.4 removeLast()

• 功能：删除链表尾部的最后一个元素。
• 返回值：返回被删除的元素。
• 示例：

2.4 poll()

• 功能：从链表头部删除元素，并返回该元素。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：删除的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例
• 

2.5  pollFirst()

• 功能：删除并返回链表头部的第一个元素。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：删除的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例：

2.6  pollLast()

• 功能：删除并返回链表尾部的最后一个元素。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：删除的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例：

3. 访问元素的方法 (get, peek, getFirst, getLast)

• 3.1 get(int index)

  • 功能：返回链表中指定索引位置的元素。
  • 返回值：指定位置的元素。
  • 示例
  • 

3.2 peek()

• 功能：获取链表头部的第一个元素，但不删除它。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：链表头部的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例：

3.3 peekFirst()

• 功能：获取链表头部的第一个元素，但不删除它。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：链表头部的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例

3.4 peekLast()

• 功能：获取链表尾部的最后一个元素，但不删除它。如果链表为空，返回 null。
• 返回值：链表尾部的元素；如果链表为空，返回 null。
• 示例：

3.5 getFirst()

• 功能：返回链表头部的第一个元素。如果链表为空，抛出 NoSuchElementException 异常。
• 返回值：链表头部的元素。
• 示例：

3.6 getLast()

• 功能：返回链表尾部的最后一个元素。如果链表为空，抛出 NoSuchElementException 异常。
• 返回值：链表尾部的元素。
• 示例：

4. 其他常用方法

• size()

  • 功能：返回链表中元素的数量。
  • 返回值：链表中的元素数量。
  • 示例：

4.2 clear()

• 功能：移除链表中的所有元素。
• 返回值：无。
• 示例：

4.3 contains(Object o)

• 功能：判断链表中是否包含指定的元素。
• 返回值：如果链表包含指定的元素，返回 true；否则返回 false。
• 示例：

5. 链表转数组

1. toArray()

• 功能：将链表中的元素转换为一个对象类型的数组（Object[]）。
• 返回值：返回一个包含链表所有元素的数组。

2. toArray(T[] a)

• 功能：将链表中的元素转换为指定类型的数组。这个方法需要传入一个类型合适的数组作为参数。链表的元素将会被拷贝到该数组中。如果数组的大小不足，toArray() 会自动创建一个足够大的新数组。
• 返回值：返回一个包含链表所有元素的指定类型的数组。

示例：

2.链表和顺序表的区别

1. 存储结构

• 链表：链表是一种由节点组成的线性数据结构，每个节点包含两个部分：

  • 数据部分：存储实际的数据。
  • 指针部分：指向下一个节点的地址（在双向链表中还会有一个指向前一个节点的指针）。

  链表的节点通常分散在内存中，每个节点的地址是不连续的。节点之间通过指针连接在一起。

  • 单向链表：每个节点指向下一个节点。
  • 双向链表：每个节点不仅指向下一个节点，还指向前一个节点。
  • 循环链表：最后一个节点指向头节点，形成一个环。

• 顺序表（数组）：顺序表是基于数组实现的线性数据结构，所有元素按照顺序连续存储在内存中。每个元素可以通过索引（下标）快速访问。

  顺序表在内存中是连续分配的，因此可以通过索引直接访问任意元素。

2. 插入与删除操作

• 链表：

  • 插入：插入操作通常非常高效，尤其是在链表头部或尾部，时间复杂度是 O(1)（不需要移动元素）。在链表中间插入时，仍然是 O(1)，但需要先找到目标位置（遍历链表），因此实际时间复杂度为 O(n)。
  • 删除：删除操作同样很高效，删除链表的头部或尾部元素只需要 O(1) 时间，但删除中间节点时同样需要 O(n) 时间来定位该节点。

• 顺序表（数组）：

  • 插入：插入操作的时间复杂度为 O(n)，因为在数组中插入一个新元素时，可能需要移动后面的所有元素以腾出空间（尤其是在数组中间插入）。插入到数组的末尾是 O(1)，但这只能在数组大小允许的情况下。
  • 删除：删除操作也需要移动元素，删除一个元素后，后面的所有元素需要向前移动，时间复杂度为 O(n)。如果删除的是最后一个元素，则可以 O(1) 删除。

3. 随机访问

• 链表：链表不支持快速随机访问。要访问链表的某个元素，必须从头节点或尾节点开始，逐个遍历节点，时间复杂度为 O(n)。

• 顺序表（数组）：顺序表提供快速的随机访问，通过元素的索引可以在 O(1) 时间内访问任意位置的元素。

4. 内存空间

• 链表：链表需要额外的内存空间来存储指针（或引用），每个节点除了存储数据外，还需要存储一个或两个指针（在双向链表中）。这使得链表的内存开销比顺序表大。

• 顺序表（数组）：顺序表的内存是连续的，不需要额外存储指针，因此相对于链表而言，其内存开销较小。只是需要确保数组大小足够容纳所有元素，否则需要进行扩容（通常是数组大小的两倍）。

5. 空间分配与扩展

• 链表：链表的节点在内存中是动态分配的，因此链表可以灵活地扩展和收缩，无需预分配固定大小的内存。

• 顺序表（数组）：顺序表的内存是静态分配的，在创建时必须指定大小。如果元素个数超过数组的容量，就需要进行扩容。扩容通常是通过创建一个更大的数组并将原有元素复制到新数组中，这个过程是耗时的，时间复杂度是 O(n)。

6. 性能对比

7. 应用场景对比

• 链表的优势：

  • 频繁插入和删除：链表在插入和删除元素时具有 O(1) 的时间复杂度，尤其是在链表头部或尾部，因此适合用于需要频繁插入和删除的场景（如队列、栈等）。
  • 动态变化的元素：链表在内存中不需要连续存储，因此在不知道数据大小的情况下，链表可以根据需要动态调整大小。

• 顺序表（数组）的优势：

  • 快速随机访问：顺序表提供 O(1) 的随机访问能力，适合需要频繁访问任意位置数据的场景。
  • 空间效率：顺序表比链表的内存开销小，没有额外的指针存储空间，适合数据量较大且不需要频繁插入/删除操作的场景。

8. 总结

• 链表：

  • 适合频繁插入和删除操作的场景。
  • 不适合频繁的随机访问。
  • 内存开销相对较大（需要存储指针）。
  • 适用于队列、栈等需要动态增长的应用场景。

• 顺序表（数组）：

  • 适合需要频繁随机访问元素的场景。
  • 插入和删除操作性能较差，尤其是中间插入/删除。
  • 内存开销较小，但需要在扩容时进行操作。
  • 适用于需要快速随机访问、存储大量数据的场景（如查找、排序等）。

结语

链表作为一种基本的线性数据结构，在 Java 中的应用广泛且重要，尤其在频繁进行插入和删除操作的场景中，它能够提供比数组更高效的解决方案。Java 提供的 LinkedList 类，作为双向链表的实现，拥有丰富的 API 方法，能够方便地处理元素的插入、删除、查询等操作。

在本文中，我们深入探讨了 LinkedList 类 的各种方法，涵盖了链表元素的增删查改，访问元素、队列操作等常见功能。同时，我们还介绍了如何将链表转换为数组，这对于一些特定场景（如需要数组操作或者与其他数据结构兼容时）非常有用。

链表的优势在于其灵活的内存管理和高效的元素插入/删除操作，尤其在头部和尾部的操作上表现优异。尽管链表在随机访问元素时的效率低于数组，但它的优点使其在许多应用中仍然占据重要地位。了解并掌握链表的特性和操作方法，对于提高代码的性能和可扩展性至关重要。

随着对 LinkedList 的深入理解，你将能更好地选择合适的数据结构来应对不同的编程挑战。在开发过程中，合理利用 LinkedList 和其他数据结构（如 ArrayList、HashMap 等），能够帮助你优化性能、提升代码的可维护性。

希望本文能帮助你更好地理解链表的使用与实现，掌握 LinkedList 类提供的各种方法，并在实际项目中充分发挥其优势。如果你有更多的问题或思考，欢迎与我交流与讨论。