โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมใน Java ตอนที่ 4: รายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยว

เช่นเดียวกับอาร์เรย์ซึ่งแนะนำในส่วนที่ 3 ของชุดบทช่วยสอนนี้รายการที่เชื่อมโยงเป็นหมวดหมู่โครงสร้างข้อมูลพื้นฐานที่สามารถยึดโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ แตกต่างจากลำดับขององค์ประกอบอย่างไรก็ตามรายการที่เชื่อมโยงเป็นลำดับของโหนดโดยแต่ละโหนดจะเชื่อมโยงกับโหนดก่อนหน้าและถัดไปในลำดับ จำไว้ว่าโหนดเป็นอ็อบเจ็กต์ที่สร้างขึ้นจากคลาสการอ้างอิงตนเองและคลาสการอ้างอิงตนเองมีฟิลด์อย่างน้อยหนึ่งฟิลด์ที่มีชนิดการอ้างอิงเป็นชื่อคลาส โหนดในรายการที่เชื่อมโยงถูกเชื่อมโยงผ่านการอ้างอิงโหนด นี่คือตัวอย่าง:

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

ในตัวอย่างนี้Employeeเป็นระดับตัวอ้างอิงเพราะข้อมูลมีประเภทnext Employeeฟิลด์นี้เป็นตัวอย่างของฟิลด์ลิงก์เนื่องจากสามารถจัดเก็บการอ้างอิงไปยังอ็อบเจ็กต์อื่นของคลาสได้ในกรณีนี้Employeeอ็อบเจ็กต์อื่น

บทช่วยสอนนี้จะแนะนำรายละเอียดของรายการที่เชื่อมโยงเดี่ยวในการเขียนโปรแกรม Java คุณจะได้เรียนรู้การดำเนินการสำหรับการสร้างรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวการแทรกโหนดลงในรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวการลบโหนดจากรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวการเชื่อมโยงรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวเข้ากับรายการที่เชื่อมโยงเพียงรายการเดียวและการสลับรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยว นอกจากนี้เราจะสำรวจอัลกอริทึมที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการจัดเรียงรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวและสรุปด้วยตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงอัลกอริทึมการเรียงลำดับการแทรก

ดาวน์โหลดรับรหัสดาวน์โหลดแอปพลิเคชันตัวอย่างสามรายการสำหรับบทความนี้ สร้างโดย Jeff Friesen สำหรับ JavaWorld

รายการที่เชื่อมโยงโดยลำพังคืออะไร?

รายการที่เชื่อมโยงโดยลำพังเป็นรายการที่เชื่อมโยงของโหนดที่แต่ละโหนดมีสนามลิงค์เดียว ในโครงสร้างข้อมูลนี้ตัวแปรอ้างอิงมีการอ้างอิงไปยังโหนดแรก (หรือบนสุด) แต่ละโหนด (ยกเว้นโหนดสุดท้ายหรือโหนดล่างสุด) เชื่อมโยงไปยังโหนดถัดไป และฟิลด์ลิงค์ของโหนดสุดท้ายมีการอ้างอิง null เพื่อแสดงถึงจุดสิ้นสุดของรายการ แม้ว่าตัวแปรอ้างอิงจะถูกตั้งชื่อโดยทั่วไปtopแต่คุณสามารถเลือกชื่อใดก็ได้ที่คุณต้องการ

รูปที่ 1 แสดงรายการที่เชื่อมโยงกันโดยมีสามโหนด

ด้านล่างนี้คือรหัสเทียมสำหรับรายการที่เชื่อมโยงโดยลำพัง

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

Nodeเป็นคลาสอ้างอิงตัวเองที่มีnameฟิลด์ข้อมูลและnextฟิลด์ลิงก์ topเป็นตัวแปรอ้างอิงประเภทNodeที่มีการอ้างอิงถึงNodeออบเจ็กต์แรกในรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยว เพราะรายการยังไม่อยู่top's NULLค่าเริ่มต้นคือ

การสร้างรายการที่เชื่อมโยงเดี่ยวใน Java

คุณสร้างรายการที่เชื่อมโยงเดี่ยวโดยการแนบNodeวัตถุชิ้นเดียว pseudocode ต่อไปนี้จะสร้างNodeออบเจ็กต์กำหนดการอ้างอิงtopเริ่มต้นฟิลด์ข้อมูลและกำหนดให้NULLกับฟิลด์ลิงก์:

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

รูปที่ 2 แสดงรายการที่เชื่อมโยงโดยเอกเทศเริ่มต้นที่โผล่ออกมาจากรหัสเทียมนี้

การดำเนินการนี้มีความซับซ้อนของเวลาเป็น O (1) - ค่าคงที่ จำได้ว่า O (1) ออกเสียงว่า "Big Oh of 1" (ดูส่วนที่ 1 สำหรับการแจ้งเตือนว่าการวัดความซับซ้อนของเวลาและพื้นที่ใช้ในการประเมินโครงสร้างข้อมูลอย่างไร)

การแทรกโหนดลงในรายการที่เชื่อมโยงกัน

การแทรกโหนดลงในรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวนั้นค่อนข้างซับซ้อนกว่าการสร้างรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวเนื่องจากมีสามกรณีที่ต้องพิจารณา

  • การแทรกก่อนโหนดแรก
  • การแทรกหลังโหนดสุดท้าย
  • การแทรกระหว่างสองโหนด

การแทรกก่อนโหนดแรก

โหนดใหม่จะถูกแทรกก่อนโหนดแรกโดยกำหนดการอ้างอิงของโหนดบนสุดให้กับฟิลด์ลิงก์ของโหนดใหม่และกำหนดการอ้างอิงของโหนดใหม่ให้กับtopตัวแปร การดำเนินการนี้แสดงให้เห็นโดย pseudocode ต่อไปนี้:

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

ผลลัพธ์สองNodeรายการปรากฏในรูปที่ 3

การดำเนินการนี้มีความซับซ้อนของเวลาเป็น O (1)

การแทรกหลังโหนดสุดท้าย

โหนดใหม่ถูกแทรกหลังจากโหนดสุดท้ายโดยกำหนดค่า nullให้กับฟิลด์ลิงก์ของโหนดใหม่ข้ามผ่านรายการที่ลิงก์เดี่ยวเพื่อค้นหาโหนดสุดท้ายและกำหนดการอ้างอิงของโหนดใหม่ให้กับฟิลด์ลิงก์ของโหนดสุดท้ายดังที่โค้ดเทียมต่อไปนี้แสดงให้เห็น:

 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 

รูปที่ 4 แสดงรายการหลังจากการแทรกของNodeC หลังNodeA

การดำเนินการนี้มีความซับซ้อนของเวลา O ( n ) - เชิงเส้น ความซับซ้อนของเวลาสามารถปรับปรุงเป็น O (1) ได้โดยคงการอ้างอิงไปยังโหนดสุดท้าย ในกรณีนี้คุณไม่จำเป็นต้องค้นหาโหนดสุดท้าย

การแทรกระหว่างสองโหนด

การแทรกโหนดระหว่างสองโหนดเป็นกรณีที่ซับซ้อนที่สุด คุณแทรกโหนดใหม่ระหว่างสองโหนดโดยการข้ามรายการเพื่อค้นหาโหนดที่อยู่ก่อนโหนดใหม่กำหนดการอ้างอิงในฟิลด์ลิงก์ของโหนดที่พบให้กับฟิลด์ลิงก์ของโหนดใหม่และกำหนดการอ้างอิงของโหนดใหม่ไปยังลิงก์ของโหนดที่พบ ฟิลด์ pseudocode ต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงงานเหล่านี้:

 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 

รูปที่ 5 แสดงรายการหลังจากการแทรกNodeD ระหว่างNodes A และ C

การดำเนินการนี้มีความซับซ้อนของเวลา O ( n )

การลบโหนดจากรายการที่เชื่อมโยงเดี่ยว

การลบโหนดออกจากรายการที่เชื่อมโยงแบบเดี่ยวนั้นค่อนข้างซับซ้อนกว่าการสร้างรายการที่เชื่อมโยงเดี่ยว อย่างไรก็ตามมีเพียงสองกรณีที่ต้องพิจารณา:

  • การลบโหนดแรก
  • การลบโหนดใด ๆ ยกเว้นโหนดแรก

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

ฉันได้สร้างSLLDemoแอปพลิเคชัน Java เวอร์ชันที่สองที่แสดงการเชื่อมต่อและการผกผัน รายการ 2 แสดงซอร์สโค้ดของแอปพลิเคชันนี้