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JS中的算法与数据结构之链表(Linked-list)实例详解

时间:2019-08-20来源/作者:Cryptic 编辑:源码库 文章热度:

本文实例讲述了JS中的算法与数据结构之链表(Linked-list)。分享给大家供大家参考,具体如下:

链表(Linked-list)

前面我们讨论了如何使用队列进行存数数据,他们其实都是列表的一种,底层存储的数据的数据结构都是数组。

但是数组不总是最佳的数据结构,因为,在很多编程语言中,数组的长度都是固定的,如果数组已被数据填满,再要加入新的元素是非常困难的。而且,对于数组的删除和添加操作,通常需要将数组中的其他元素向前或者向后平移,这些操作也是十分繁琐的。

然而,JS中数组却不存在上述问题,主要是因为他们被实现了成了对象,但是与其他语言相比(比如C或Java),那么它的效率会低很多。

这时候,我们可以考虑使用链表(Linked-list) 来替代它,除了对数据的随机访问,链表几乎可以在任何可以使用一维数组的情况中。如果你正巧在使用C或者Java等高级语言,你会发现链表的表现要优于数组很多。

链表其实有许多的种类:单向链表、双向链表、单向循环链表和双向循环链表,接下来,我们基于对象来实现一个单向链表,因为它的使用最为广泛。

链表的定义

首先,要实现链表,我们先搞懂一些链表的基本东西,因为这很重要!

链表是一组节点组成的集合,每个节点都使用一个对象的引用来指向它的后一个节点。指向另一节点的引用讲做链。下面我画了一个简单的链接结构图,方便大家理解。

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链表结构图

其中,data中保存着数据,next保存着下一个链表的引用。上图中,我们说 data2 跟在 data1 后面,而不是说 data2 是链表中的第二个元素。上图,值得注意的是,我们将链表的尾元素指向了 null 节点,表示链接结束的位置。

由于链表的起始点的确定比较麻烦,因此很多链表的实现都会在链表的最前面添加一个特殊的节点,称为 头节点,表示链表的头部。进过改造,链表就成了如下的样子:

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有头节点的链表

向链表中插入一个节点的效率很高,需要修改它前面的节点(前驱),使其指向新加入的节点,而将新节点指向原来前驱节点指向的节点即可。下面我将用图片演示如何在 data2 节点 后面插入 data4 节点。

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插入节点

同样,从链表中删除一个节点,也很简单。只需将待删节点的前驱节点指向待删节点的,同时将待删节点指向null,那么节点就删除成功了。下面我们用图片演示如何从链表中删除 data4 节点。

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删除节点

链表的设计

我们设计链表包含两个类,一个是 Node 类用来表示节点,另一个事 LinkedList 类提供插入节点、删除节点等一些操作。

Node类

Node类包含连个属性: element 用来保存节点上的数据,next 用来保存指向下一个节点的链接,具体实现如下:

//节点
function Node(element) {
  this.element = element;  //当前节点的元素
  this.next = null;     //下一个节点链接
}

LinkedList类

LinkedList类提供了对链表进行操作的方法,包括插入删除节点,查找给定的值等。值得注意的是,它只有一个属性,那就是使用一个 Node 对象来保存该链表的头节点。

它的构造函数的实现如下:

//链表类
function LList () {
  this.head = new Node( 'head' );   //头节点
  this.find = find;          //查找节点
  this.insert = insert;        //插入节点
  this.remove = remove;        //删除节点
  this.findPrev = findPrev;      //查找前一个节点
  this.display = display;       //显示链表
}

head节点的next属性初始化为 null ,当有新元素插入时,next会指向新的元素。

接下来,我们来看看具体方法的实现。

insert:向链表插入一个节点

我们先分析分析insert方法,想要插入一个节点,我们必须明确要在哪个节点的前面或后面插入。我们先来看看,如何在一个已知节点的后面插入一个节点。

在一个已知节点后插入新节点,我们首先得找到该节点,为此,我们需要一个 find 方法用来遍历链表,查找给定的数据。如果找到,该方法就返回保存该数据的节点。那么,我们先实现 find 方法。

find:查找给定节点

//查找给定节点

function find ( item ) {
  var currNode = this.head;
  while ( currNode.element != item ){
    currNode = currNode.next;
  }
  return currNode;
}

find 方法同时展示了如何在链表上移动。首先,创建一个新节点,将链表的头节点赋给这个新创建的节点,然后在链表上循环,如果当前节点的 element 属性和我们要找的信息不符,就将当前节点移动到下一个节点,如果查找成功,该方法返回包含该数据的节点;否则,就会返回null。

一旦找到了节点,我们就可以将新的节点插入到链表中了,将新节点的 next 属性设置为后面节点的 next 属性对应的值,然后设置后面节点的 next 属性指向新的节点,具体实现如下:

//插入节点

function insert ( newElement , item ) {
  var newNode = new Node( newElement );
  var currNode = this.find( item );
  newNode.next = currNode.next;
  currNode.next = newNode;
}

现在我们可以测试我们的链表了。等等,我们先来定义一个 display 方法显示链表的元素,不然我们怎么知道对不对呢?

display:显示链表

//显示链表元素

function display () {
  var currNode = this.head;
  while ( !(currNode.next == null) ){
    console.log( currNode.next.element );
    currNode = currNode.next;
  }
}

实现原理同上,将头节点赋给一个新的变量,然后循环链表,直到当前节点的 next 属性为 null 时停止循环,我们循环过程中将每个节点的数据打印出来就好了。

var fruits = new LList();

fruits.insert('Apple' , 'head');
fruits.insert('Banana' , 'Apple');
fruits.insert('Pear' , 'Banana');

console.log(fruits.display());    // Apple
                   // Banana
                   // Pear

remove:从链表中删除一个节点

从链表中删除节点时,我们先要找个待删除节点的前一个节点,找到后,我们修改它的 next 属性,使其不在指向待删除的节点,而是待删除节点的下一个节点。那么,我们就得需要定义一个 findPrevious 方法遍历链表,检查每一个节点的下一个节点是否存储待删除的数据。如果找到,返回该节点,这样就可以修改它的 next 属性了。 findPrevious 的实现如下:

//查找带删除节点的前一个节点

function findPrev( item ) {
  var currNode = this.head;
  while ( !( currNode.next == null) && ( currNode.next.element != item )){
    currNode = currNode.next;
  }
  return currNode;
}

这样,remove 方法的实现也就迎刃而解了

//删除节点

function remove ( item ) {
  var prevNode = this.findPrev( item );
  if( !( prevNode.next == null ) ){
    prevNode.next = prevNode.next.next;
  }
}

我们接着写一段测试程序,测试一下 remove 方法:

// 接着上面的代码,我们再添加一个水果

fruits.insert('Grape' , 'Pear');
console.log(fruits.display());   // Apple
                  // Banana
                  // Pear
                  // Grape

// 我们把香蕉吃掉

fruits.remove('Banana');
console.log(fruits.display());   // Apple
                  // Pear
                  // Grape

Great!成功了,现在你已经可以实现一个基本的单向链表了。

双向链表

尽管从链表的头节点遍历链表很简单,但是反过来,从后向前遍历却不容易。我们可以通过给Node类增加一个previous属性,让其指向前驱节点的链接,这样就形成了双向链表,如下图:

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双向链表

此时,向链表插入一个节点就要更改节点的前驱和后继了,但是删除节点的效率提高了,不再需要寻找待删除节点的前驱节点了。

双向链表的实现

要实现双向链表,首先需要给 Node 类增加一个 previous 属性:

//节点类

function Node(element) {
  this.element = element;  //当前节点的元素
  this.next = null;     //下一个节点链接
  this.previous = null;   //上一个节点链接
}

双向链表的 insert 方法与单链表相似,但需要设置新节点的 previous 属性,使其指向该节点的前驱,定义如下:

//插入节点
function insert ( newElement , item ) {
  var newNode = new Node( newElement );
  var currNode = this.find( item );
  newNode.next = currNode.next;
  newNode.previous = currNode;
  currNode.next = newNode;
}

双向链表的删除 remove 方法比单链表效率高,不需要查找前驱节点,只要找出待删除节点,然后将该节点的前驱 next 属性指向待删除节点的后继,设置该节点后继 previous 属性,指向待删除节点的前驱即可。定义如下:

//删除节点

function remove ( item ) {
  var currNode = this.find ( item );
  if( !( currNode.next == null ) ){
    currNode.previous.next = currNode.next;
    currNode.next.previous = currNode.previous;
    currNode.next = null;
    currNode.previous = null;
  }
}

还有一些反向显示链表 dispReverse,查找链表最后一个元素 findLast 等方法,相信你已经有了思路,这里我给出一个基本双向链表的完成代码,供大家参考。

 //节点
 
function Node(element) {
  this.element = element;  //当前节点的元素
  this.next = null;     //下一个节点链接
  this.previous = null;     //上一个节点链接
}

//链表类

function LList () {
  this.head = new Node( 'head' );
  this.find = find;
  this.findLast = findLast;
  this.insert = insert;
  this.remove = remove;
  this.display = display;
  this.dispReverse = dispReverse;
}

//查找元素

function find ( item ) {
  var currNode = this.head;
  while ( currNode.element != item ){
    currNode = currNode.next;
  }
  return currNode;
}

//查找链表中的最后一个元素

function findLast () {
  var currNode = this.head;
  while ( !( currNode.next == null )){
    currNode = currNode.next;
  }
  return currNode;
}


//插入节点

function insert ( newElement , item ) {
  var newNode = new Node( newElement );
  var currNode = this.find( item );
  newNode.next = currNode.next;
  newNode.previous = currNode;
  currNode.next = newNode;
}

//显示链表元素

function display () {
  var currNode = this.head;
  while ( !(currNode.next == null) ){
    console.debug( currNode.next.element );
    currNode = currNode.next;
  }
}

//反向显示链表元素

function dispReverse () {
  var currNode = this.findLast();
  while ( !( currNode.previous == null )){
    console.log( currNode.element );
    currNode = currNode.previous;
  }
}

//删除节点

function remove ( item ) {
  var currNode = this.find ( item );
  if( !( currNode.next == null ) ){
    currNode.previous.next = currNode.next;
    currNode.next.previous = currNode.previous;
    currNode.next = null;
    currNode.previous = null;
  }
}

var fruits = new LList();

fruits.insert('Apple' , 'head');
fruits.insert('Banana' , 'Apple');
fruits.insert('Pear' , 'Banana');
fruits.insert('Grape' , 'Pear');

console.log( fruits.display() );    // Apple
                    // Banana
                    // Pear
                    // Grape
                    
console.log( fruits.dispReverse() );  // Grape
                    // Pear
                    // Banana
                    // Apple

循环链表

循环链表和单链表相似,节点类型都是一样,唯一的区别是,在创建循环链表的时候,让其头节点的 next 属性执行它本身,即

head.next = head;

这种行为会导致链表中每个节点的 next 属性都指向链表的头节点,换句话说,也就是链表的尾节点指向了头节点,形成了一个循环链表,如下图所示:

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循环链表

原理相信你已经懂了,循环链表这里就不贴代码了,相信你自己能独立完成!

至此,我们对链表有了比较深刻的认识,如果想让我们的链表更加健全,我们还可发挥自己的思维,给链表添加比如向前移动几个节点,向后移动几个节点,显示当前节点等方法,大家一起加油!

希望本文所述对大家JavaScript程序设计有所帮助。


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