Struktury danych i algorytmy w Javie, Część 4: Listy pojedynczo połączone

Podobnie jak tablice, które zostały wprowadzone w części 3 tej serii samouczków, połączone listy są podstawową kategorią struktury danych, na której można opierać bardziej złożone struktury danych. Jednak w przeciwieństwie do sekwencji elementów, połączona lista jest sekwencją węzłów, gdzie każdy węzeł jest połączony z poprzednim i następnym węzłem w sekwencji. Przypomnij sobie, że węzeł jest obiektem utworzonym z klasy odwołującej się do siebie, a klasa odwołująca się do siebie ma co najmniej jedno pole, którego typem odwołania jest nazwa klasy. Węzły na połączonej liście są połączone za pośrednictwem odniesienia do węzła. Oto przykład:

 class Employee { private int empno; private String name; private double salary; public Employee next; // Other members. }

W tym przykładzie Employeejest klasą odwołującą się do siebie, ponieważ jej nextpole ma typ Employee. To pole jest przykładem pola odsyłacza, ponieważ może przechowywać odniesienie do innego obiektu swojej klasy - w tym przypadku innego Employeeobiektu.

Ten samouczek przedstawia tajniki list połączonych pojedynczo w programowaniu w języku Java. Nauczysz się operacji tworzenia pojedynczo połączonej listy, wstawiania węzłów do pojedynczo połączonej listy, usuwania węzłów z pojedynczo połączonej listy, konkatenacji pojedynczo połączonej listy z inną pojedynczo połączoną listą i odwracania pojedynczo połączonej listy. Zbadamy również algorytmy najczęściej używane do sortowania list połączonych pojedynczo i zakończymy na przykładzie demonstrującym algorytm sortowania przez wstawianie.

pobierz Pobierz kod Pobierz trzy przykładowe aplikacje do tego artykułu. Stworzone przez Jeffa Friesena dla JavaWorld.

Co to jest lista połączona pojedynczo?

Lista pojedynczo połączona to połączona lista węzłów, gdzie każdy węzeł ma jedno pole łącza. W tej strukturze danych zmienna odniesienia zawiera odniesienie do pierwszego (lub najwyższego) węzła; każdy węzeł (z wyjątkiem ostatniego lub dolnego) łączy się z następnym; a pole łącza ostatniego węzła zawiera zerową referencję oznaczającą koniec listy. Chociaż zmienna odniesienia jest powszechnie nazywana top, możesz wybrać dowolną nazwę.

Rysunek 1 przedstawia listę połączoną pojedynczo z trzema węzłami.

Poniżej znajduje się pseudokod listy pojedynczo połączonej.

 DECLARE CLASS Node DECLARE STRING name DECLARE Node next END DECLARE DECLARE Node top = NULL 

Nodeto klasa odwołująca się do siebie z namepolem danych i nextpolem odsyłacza. topjest zmienną referencyjną typu, Nodektóra zawiera odniesienie do pierwszego Nodeobiektu na pojedynczo połączonej liście. Ponieważ lista jeszcze nie istnieje, topjej początkową wartością jest NULL.

Tworzenie pojedynczo połączonej listy w Javie

Listę połączoną pojedynczo tworzysz, dołączając pojedynczy Nodeobiekt. Poniższy pseudokod tworzy Nodeobiekt, przypisuje jego odniesienie top, inicjuje jego pole danych i przypisuje NULLdo jego pola łącza:

 top = NEW Node top.name = "A" top.next = NULL 

Rysunek 2 przedstawia początkową listę pojedynczo połączoną, która wyłania się z tego pseudokodu.

Operacja ta ma złożoność czasową O (1) - stała. Przypomnij sobie, że O (1) wymawia się „Wielkie Oh 1”. (Zobacz część 1, aby przypomnieć, w jaki sposób pomiary złożoności czasu i przestrzeni są wykorzystywane do oceny struktur danych).

Wstawianie węzłów do pojedynczo połączonej listy

Wstawienie węzła do listy pojedynczo połączonej jest nieco bardziej skomplikowane niż tworzenie listy pojedynczo połączonej, ponieważ należy rozważyć trzy przypadki:

  • Wstawienie przed pierwszym węzłem.
  • Wstawienie po ostatnim węźle.
  • Wstawienie między dwoma węzłami.

Wstawienie przed pierwszym węzłem

Nowy węzeł jest wstawiany przed pierwszym węzłem, przypisując odwołanie najwyższego węzła do pola łącza nowego węzła i przypisując odwołanie do nowego węzła do topzmiennej. Operację tę ilustruje następujący pseudokod:

 DECLARE Node temp temp = NEW Node temp.name = "B" temp.next = top top = temp 

Wynikowa Nodelista pojawia się na Rysunku 3.

Ta operacja ma złożoność czasową O (1).

Wstawienie za ostatnim węzłem

Nowy węzeł jest wstawiany za ostatnim węzłem, przypisując wartość null do pola łącza nowego węzła, przechodząc przez pojedynczo połączoną listę w celu znalezienia ostatniego węzła i przypisując odwołanie do nowego węzła do pola łącza ostatniego węzła, jak pokazuje poniższy pseudokod:

 temp = NEW Node temp.name = "C" temp.next = NULL DECLARE Node temp2 temp2 = top // We assume top (and temp2) are not NULL // because of the previous pseudocode. WHILE temp2.next NE NULL temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references the last node. temp2.next = temp 

Rysunek 4 pokazuje listę po wstawieniu litery NodeC po NodeA.

Ta operacja ma złożoność czasową O ( n ) - liniową. Jego złożoność czasową można poprawić do O (1), zachowując odniesienie do ostatniego węzła. W takim przypadku nie byłoby konieczne wyszukiwanie ostatniego węzła.

Wstawienie między dwoma węzłami

Inserting a node between two nodes is the most complex case. You insert a new node between two nodes by traversing the list to find the node that comes before the new node, assigning the reference in the found node's link field to the new node's link field, and assigning the new node's reference to the found node's link field. The following pseudocode demonstrates these tasks:

 temp = NEW Node temp.name = "D" temp2 = top // We assume that the newly created Node inserts after Node // A and that Node A exists. In the real world, there is no // guarantee that any Node exists, so we would need to check // for temp2 containing NULL in both the WHILE loop's header // and after the WHILE loop completes. WHILE temp2.name NE "A" temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references Node A. temp.next = temp2.next temp2.next = temp 

Figure 5 presents the list following the insertion of Node D between Nodes A and C.

This operation has a time complexity of O(n).

Deleting nodes from a singly linked list

Deleting a node from a singly linked list is also somewhat more complicated than creating a singly linked list. However, there are only two cases to consider:

  • Deletion of the first node.
  • Deletion of any node but the first node.

Deletion of the first node

Deleting the first node involves assigning the link in the first node's link field to the variable that references the first node, but only when there is a first node:

 IF top NE NULL THEN top = top.next; // Reference the second Node (or NULL when there's only one Node). END IF 

Figure 6 presents before and after views of a list where the first Node has been deleted. Node B disappears and Node A becomes the first Node.

This operation has a time complexity of O(1).

Deletion of any node but the first node

Deleting any node but the first node involves locating the node that precedes the node to be deleted and assigning the reference in the node-to-be-deleted's link field to the preceding node's link field. Consider the following pseudocode:

 IF top NE NULL THEN temp = top WHILE temp.name NE "A" temp = temp.next END WHILE // We assume that temp references Node A. temp.next = temp.next.next // Node D no longer exists. END IF 

Figure 7 presents before and after views of a list where an intermediate Node is deleted. Node D disappears.

This operation has a time complexity of O(n).

Example #1: Create, insert, and delete in a singly linked list

I've created a Java application named SLLDemo that demonstrates how to create, insert, and delete nodes in a singly linked list. Listing 1 presents this application's source code.

Listing 1. Java application demo for singly linked lists (SSLDemo.java, version 1)

 public final class SLLDemo { private static class Node { String name; Node next; } public static void main(String[] args) { Node top = null; // 1. The singly linked list does not exist. top = new Node(); top.name = "A"; top.next = null; dump("Case 1", top); // 2. The singly linked list exists and the node must be inserted // before the first node. Node temp; temp = new Node(); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; dump("Case 2", top); // 3. The singly linked list exists and the node must be inserted // after the last node. temp = new Node(); temp.name = "C"; temp.next = null; Node temp2; temp2 = top; while (temp2.next != null) temp2 = temp2.next; temp2.next = temp; dump("Case 3", top); // 4. The singly linked list exists and the node must be inserted // between two nodes. temp = new Node(); temp.name = "D"; temp2 = top; while (temp2.name.equals("A") == false) temp2 = temp2.next; temp.next = temp2.next; temp2.next = temp; dump("Case 4", top); // 5. Delete the first node. top = top.next; dump("After first node deletion", top); // 5.1 Restore node B. temp = new Node(); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; // 6. Delete any node but the first node. temp = top; while (temp.name.equals("A") == false) temp = temp.next; temp.next = temp.next.next; dump("After D node deletion", top); } private static void dump(String msg, Node topNode) { System.out.print(msg + " "); while (topNode != null) { System.out.print(topNode.name + " "); topNode = topNode.next; } System.out.println(); } } 

Compile Listing 1 as follows:

 javac SLLDemo.java 

Run the resulting application as follows:

 java SLLDemo 

You should observe the following output:

 Case 1 A Case 2 B A Case 3 B A C Case 4 B A D C After first node deletion A D C After D node deletion B A C 

Concatenating singly linked lists

You might occasionally need to concatenate a singly linked list to another singly linked list. For example, suppose you have a list of words that start with letters A through M and another list of words starting with letters N through Z, and you want to combine these lists into a single list. The following pseudocode describes an algorithm for concatenating one singly linked list to another:

 DECLARE Node top1 = NULL DECLARE Node top2 = NULL // Assume code that creates top1-referenced singly linked list. // Assume code that creates top2-referenced singly linked list. // Concatenate top2-referenced list to top1-referenced list. IF top1 EQ NULL top1 = top2 END END IF // Locate final Node in top1-referenced list. DECLARE Node temp = top1 WHILE temp.next NE NULL temp = temp.next END WHILE // Concatenate top2 to top1. temp.next = top2 END 

In the trivial case, there is no top1-referenced list, and so top1 is assigned top2's value, which would be NULL if there was no top2-referenced list.

This operation has a time complexity of O(1) in the trivial case and a time complexity of O(n) otherwise. However, if you maintain a reference to the last node, there's no need to search the list for this node; the time complexity changes to O(1).

Inverting a singly linked list

Another useful operation on a singly linked list is inversion, which reverses the list's links to let you traverse its nodes in the opposite direction. The following pseudocode reverses the top1-referenced list's links:

 DECLARE Node p = top1 // Top of original singly linked list. DECLARE Node q = NULL // Top of reversed singly linked list. DECLARE Node r // Temporary Node reference variable. WHILE p NE NULL // For each Node in original singly linked list ... r = q // Save future successor Node's reference. q = p // Reference future predecessor Node. p = p.next // Reference next Node in original singly linked list. q.next = r // Link future predecessor Node to future successor Node. END WHILE top1 = q // Make top1 reference first Node in reversed singly linked list. END 

This operation has a time complexity of O(n).

Example #2: Concatenating and inverting a singly linked list

Stworzyłem drugą wersję SLLDemoaplikacji Java, która demonstruje konkatenację i inwersję. Listing 2 przedstawia kod źródłowy tej aplikacji.