为什么我要放弃javaScript数据结构与算法（第五章）—— 链表
距离第四章的完成已经过去了两个月了，这段期间，由于学习 nodeJS、《图解 http》以及项目，暂时把这本书丢下了。今天项目已经完成了七七八八，其他几本书也看完了，趁着有时间，来继续学习这本书的第五章——链表。
这一章你将会学会如何实现和使用链表这种动态的数据结构，这意味着我们可以从中任意添加或移除项，它会按需进行扩张。
本章内容
- '链表数据结构'
- '向链表添加元素'
- '从链表移除元素'
- '使用 LinkedList 类'
- '双向链表'
- '循环链表'
第五章 链表
链表数据结构
要存储多个元素，数组（或列表）可能是最常见的数据结构了。然后这种数据结构有一个缺点：数组的大小是固定的，从数组的起点或中间插入或移除项的成本有点高，因为需要移动元素。
链表存储有序的元素集合，但不同于数组，链表中的元素在内存并不是连续放置的。每个元素由一个存储元素本身的节点和一个指向下一个元素的引用（也称指针或链接）组成，下图展示了一个链表的结构。
相对于传统的数组，链表的一个好处在于，添加或者移除元素的时候不需要移动其他元素，然后，链表需要使用指针，因为实现链表时需要额外注意。数组的另一个细节是可以直接访问任何位置的任何元素，而想要访问链表中间的一个元素，需要从起点（表头）开始迭代列表直到找到所需的元素。
现实中也有一些链表的例子，第一个例子就是康加舞队，每个人就是一个元素，手就是链向下一个人的指针，可以向队列汇总增加人——只需要找到想加入的点，断开连接，插入一个人，再重新连接起来。
另外一个例子就是寻宝游戏，你有一条线索，这条线索是指向寻找下一个线索的地点的指针，你顺着这条链去下一个地点，得到另一条指向再下一处的线索。得到列表中间的线索的唯一方法，就是从起点（第一个线索）顺着列表寻找。
还有一个可能就是用来说明链表中的最流行的例子，那就是火车。一列火车是由一系列车厢（也称车皮）组成的。每节车厢或车皮都互相连接。可以很容易的分离开一节车皮，改变它的位置，添加或移除它。
创建链表
了解链表是什么之后，就要开始实现我们的数据结构了，一下是我们的 LinkedList 类的骨架：
function LinkedList() {
let Node = function (element) {
// 需要一个Node辅助类，表示要加入列表的项，element 代表要添加到列表中的值， next d代表指向列表的下一个节点向的指针
this.element = element;
this.next = null;
};
let length = 0; // 存储列表项的数量 length 属性
let head = null; // 存储第一个节点的引用在 head 变量
this.append = function (element) {};
this.insert = function (position, element) {};
this.removeAt = function (position) {};
this.remove = function (element) {};
this.indexOf = function (position) {};
this.isEmpty = function () {};
this.size = function () {};
this.getHead = function () {};
this.toString = function () {};
this.print = function () {};
}
LinkedList 类的方法的功能
- 'append(element)：向列表尾部添加一个新的项'
- 'insert(position, element)：向列表的特定位置插入一个新的项'
- 'removeAt(position)：从列表的特定位置移除一项'
- 'remove(element)：从列表中移除一项'
- 'indexOf(element)：返回元素在列表中的索引。如果列表中没有该元素则返回-1'
- 'isEmpty()：如果链表中不包含任何元素，返回 true, 如果链表的长度大于 0 则返回 false'
- 'size()：返回链表包含的元素个数，与数字的 length 属性类似'
- 'toString()：由于列表项使用 Node 类，就需要重写继承自 JavaScript 对象默认的 toString 方法，让其只输出元素的值。'
向链表尾部追加元素
向 LinkedList 对象尾部添加一个元素时，可能有两种场景，列表为空，添加的是第一个元素，或者列表不为空，向追加元素。
this.append = function (element) {
let node = new Node(element),
current;
if (head === null) {
head = node;
} else {
current = head;
// 循环列表，直到找到最后一项
while (current.next) {
current = current.next;
}
// 当current.next元素为null时，找到最后一项，将其 next 赋为 node,建立连接
current.next = node;
}
length++; // 更新列表的长度
};
可以在 append 函数 加上 return node , 通过下面的代码来使用和测试目前创建的数据结构
let list = new LinkedList();
console.log(list.append(15)); // Node {element: 15, next: null}
console.log(list.append(10)); // Node {element: 10, next: null}
从链表中移除元素
移除元素也有两种场景：第一种是移除第一个元素，第二种是移除第一个以外的任一元素。我们要实现两种 remove 方法：第一种是从特定位置移除第一个元素，第二种是根据元素的值移除元素。
首先先实现移除特定位置的元素
this.removeAt = function (position) {
// 检查越界值
if (position > -1 && position < length) {
let current = head,
previous,
index = 0;
// 移除第一项
if (position === 0) {
head = current.next;
console.log(current.element);
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
// 将 previous 与 current 的下一项连接起来，跳过 current,从移除它
previous.next = current.next;
}
length--;
console.log(current.element);
return current.element;
} else {
return null;
}
};
如果想要移除第一个元素（position=0），要做的就是让 head 指向列表的第二个元素，我们用 current 变量穿甲一个对列表中第一个元素的应用，这样 current 变量就是对列表中第一个元素的引用，如果吧 head 赋值为 current.next 就会移除第一个元素。
如果我们要移除列表的最后一项或者是中间的一项，为此，需要依靠一个细节来迭代列表，知道到达目标位置（index++ < position），使用一个用于内部控制和递增的 index 变量，current 变量总是对所循环列表的当前元素的引用（current = current.next），我们还需要一个对当前元素的前一个元素的引用（previous = current），它被命名为 previous。
因此，要从列表中移除当前元素，要做的就是将 previous.next 和 current.next 链接起来，这样当前元素就会被丢弃在计算机内存中，等着被垃圾回收站清除。
对于最后一个元素，在（while(index++ < position)）跳出循环时， current 变量总是对列表中最后一个元素的引用（要移除的元素）。current.next 的值将是 null（因为它是最后一个元素）。由于还保留了对 previous 的引用（当前元素的前一个元素），previous 就指向了 current 。那么要移除 current, 要做的就是把 previous.next 的值改变为 current.next 。
在任意位置插入元素
实现 insert 方法，使用这个方法可以在任意位置插入一个元素。
this.insert = function (position, element) {
// 检查越界值
if (position >= 0 && position <= length) {
let node = new Node(element),
current = head,
previous,
index = 0;
if (position === 0) {
// 在第一个位置添加
node.next = current;
head = node;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
node.next = current;
previous.next = node;
}
length++;
return true;
} else {
return false;
}
};
current 变量是对列表中第一个元素的引用，我们需要做的是把 node.next 的值设为 current （列表中的第一个元素），现在 head 和 node.next 都指向了 current ，接下来要做的就是把 head 的引用改为 node ，这样列表中就有了一个新元素。
现在来处理第二种场景，在列表中间或者末尾添加一个新的元素。首先，循环访问列表，找打目标为位置，当跳出循环的时候， current 变量将是对想要插入新元素的位置之后一个元素的引用，而 previous 将是对想要插入新元素的位置之前的一个元素的引用。在这种情况下，我门要在 previous 和 current 之间添加新项。因此，需要将新项（node）和当前链接起来（node.next = current），然后需要改变 previous 和 current z 之间的链接，我们还需要让 previous.next 指向 node。
实现其他方法
toString 方法
this.toString = function () {
let current = head,
string = '';
while (current) {
string += current.element + (current.next ? '-' : '');
current = current.next;
}
return string;
};
赋值 current 为 head, 循环访问 current，将 current 变量当做索引，初始化用于拼接元素的变量（string）。通过 current 来检查元素是否存在，如果列表为空或是到达列表中最后一个元素的下一位（null），while 循环中的代码就不会执行，就可以得到元素的内容，将其拼接到字符串中，最后，迭代下一个元素。最后，返回列表内容的字符串。
indexOf 方法
indexOf 方法接受一个元素的值，如果在列表中找到它，就返回元素的位置，否则返回 -1
this.indexOf = function (element) {
let current = head,
index = 0;
while (current) {
if (element === current.element) {
return index;
}
index++;
current = current.next;
}
return -1;
};
循环变量 current，它的初始值是 head , 利用 index 来计算位置数。访问元素，检查当前元素是否是我们要找的，如果是，就返回它的位置，不是就继续计数，检查列表中的下一个节点。
如果列表为空，或是到达列表的尾部（current = current.next 将是 null），循环就不会执行。如果没有找到值就返回 -1 。
实现了上面的方法，就可以实现 remove 等其他方法了
remove 方法
this.remove = function (element) {
let index = this.indexOf(element);
return this.removeAt(index);
};
isEmpty、size 和 getHead 方法
isEmpty 和 size 和之前章节实现一模一样
this.isEmpty = function () {
return length === 0;
};
this.size = function () {
return length;
};
还有 getHead 方法
this.getHead = function () {
return head;
};
head 变量是 LinkedList 类的私有变量，我们如果需要在类的实现外部循环访问列表，就需要提供一种获取类的第一个元素的方法。
整个 LinkedList 函数
function LinkedList() {
let Node = function (element) {
// 需要一个Node辅助类，表示要加入列表的项，element 代表要添加到列表中的值， next d代表指向列表的下一个节点向的指针
this.element = element;
this.next = null;
};
let length = 0; // 存储列表项的数量 length 属性
let head = null; // 存储第一个节点的引用在 head 变量
this.append = function (element) {
let node = new Node(element),
current;
if (head === null) {
head = node;
} else {
current = head;
// 循环列表，直到找到最后一项
while (current.next) {
current = current.next;
}
// 当current.next元素为null时，找到最后一项，将其 next 赋为 node,建立连接
current.next = node;
}
length++; // 更新列表的长度
};
this.insert = function (position, element) {
// 检查越界值
if (position >= 0 && position <= length) {
let node = new Node(element),
current = head,
previous,
index = 0;
if (position === 0) {
// 在第一个位置添加
node.next = current;
head = node;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
node.next = current;
previous.next = node;
}
length++;
return true;
} else {
return false;
}
};
this.removeAt = function (position) {
// 检查越界值
if (position > -1 && position < length) {
let current = head,
previous,
index = 0;
// 移除第一项
if (position === 0) {
head = current.next;
console.log(current.element);
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
// 将 previous 与 current 的下一项连接起来，跳过 current,从移除它
previous.next = current.next;
}
length--;
return current.element;
} else {
return null;
}
};
this.remove = function (element) {
let index = this.indexOf(element);
return this.removeAt(index);
};
this.indexOf = function (element) {
let current = head,
index = 0;
while (current) {
if (element === current.element) {
return index;
}
index++;
current = current.next;
}
return -1;
};
this.isEmpty = function () {
return length === 0;
};
this.size = function () {
return length;
};
this.getHead = function () {
return head;
};
this.toString = function () {
let current = head,
string = '';
while (current) {
string += current.element + (current.next ? '-' : '');
current = current.next;
}
return string;
};
}
双向链表
链表有多种不同的类型，这一节介绍 双向链表，双向链表和普通链表的区别在于，在链表中，一个节点只有链向下一个链接，而在双向链表中，链接是双向的：一个链向下一个元素，另一个链向前一个元素。如下图所示
先从实现 DoublyLinkedList 类所需要的变动开始
function DoublyLinkedList() {
let Node = function (elememt) {
this.elememt = elememt;
this.next = null;
this.prev = null; // 新增的
};
let length = 0;
let head = null;
let tail = null; // 新增的
// 这里是方法
}
可以看出，Node 类中新增了 prev 属性（一个新指针），在 DoublyLinkedList 类里也有用来保存对列表最后一项的引用的 tail 属性。
双向链表提供了两种迭代列表的方式：从头到尾，或者从尾到头。我们也可以方位一个特定节点的下一个或者是上一个元素。在单向链表中，如果迭代列表时错过了要找的元素，就需要回到列表起点，重新迭代。这是双向链表的一个优点。
在任意位置插入新元素
向双向链表中插入一个新项跟（单向）链表非常相类似。区别在于，链表只要控制一个 next 指针，而双向链表则要同时控制 next 和 prev （previous，前一个）这两个指针。
this.insert = function (position, elememt) {
// 检查越界值
if (position >= 0 && position <= length) {
let node = new Node(elememt),
current = head,
previous,
index = 0;
if (position === 0) {
// 在第一个位置添加
if (!head) {
head = node;
tail = node;
} else {
node.next = current;
current.prev = node;
head = node;
}
} else if (position === length) {
// 最后一项
current = tail;
current.next = node;
node.prev = current;
tail = node;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
node.next = current;
previous.next = node;
current.prev = node;
node.prev = previous;
}
length++;
return true;
} else {
return false;
}
};
在列表的第一个位置（列表的起点）插入一个新元素，如果列表为空（if(!head)），那只需将 head 和 tail 都指向这个新节点。如果不为空， current 变量将是对列表中的第一个元素的引用。就像我们在链表中所做的，把 node.next 设为 current ，而 head 将指针指向 node （它被设为列表中的第一个元素）。不同之处，我们还需要为指向上一个元素的指针设一个值。current.prev 指针将由 指向 null 变成指向 新元素（current.prev = node）。node.prev 指针已经是 null, 因此不需要在更新任何东西了。
假如我们要在列表最后添加一个新元素。这是一个特殊情况，因为我们还控制着指向最后一个元素的指针（tail）。current 变量将引用最后一个元素（current = tail）。然后分开建立第一个链接：node.prev 将引用 current。current.next 指针（指向 null）将指向 node （由于构造函数，node.next 已经指向了 null）。然后只剩下一件事，就是更新 tail ，它将由 指向 current 变成指向 node 。
第三种场景：在列表中插入一个新元素，就像我们在之前方法中所做，迭代列表，知道到达要找的位置（while (index++ < position)）。我们将在 current 和 previous 元素之间插入新元素。首先，node.next 将指向 current , 而 previous.next 将指向 node, 这样就不会跌势节点之间的链接。然后需要处理所有的链接：current.prev 将指向 node , 而 node.prev 将指向 previous
从任意位置移除元素
从双向链表中移除元素跟链表非常类似。唯一区别就是还需要设置一个位置的指针。
this.removeAt = function (position) {
// 检查越界值
if (position > -1 && position < length) {
let current = head,
previous,
index = 0;
// 移除第一项
if (position === 0) {
head = current.next;
// 如果只有一项，更新 tail
if (length === 1) {
tail = null;
} else {
head.prev = null;
}
} else if (position === length - 1) {
// 最后一项
current = tail;
tail = current.prev;
tail.next = null;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
// 将 previous 与 current 的下一项连接起来——跳过 current
previous.next = current.next;
current.next.prev = previous;
}
length--;
return current.elememt;
} else {
return null;
}
};
我们需要处理三种场景，从头部、从中间和从尾部移除一个元素。
移除第一个元素。current 变量是对列表中第一个元素的引用，也就是我们想要移除的远古三。需要做的就是改变 head 的引用，将其从 current 改为下一个元素（head = current.next; ），但是我们还需要更新 current.next 指向上一个元素的指针（因为第一个元素的 prev 指针是 null）。因此，把 head.prev 的引用改为 null（因为 head 也指向了列表中的第一个元素，或者也可以用 current.next.prev ）。由于还需要控制 tail 的引用，我们可以检测要移除的是否是第一个元素，如果是，只需要把 tail 也设为 null。
移除最后一个位置的元素。既然已经有了对最后一个元素的引用（tail）, 我们就不需要为找到它而迭代列表。我们可以把 tail 的引用赋给 current 变量。接下来，就需要吧 tail 的引用更新为列表中的倒数第二个元素（current.prev, 或者 tail.prev 也可以）。既然 tail 指向了倒数第二个元素，我们需要把 next 指针更新为 null （tail.next = null）。
最后一种场景，从列表中移除一个元素。首先需要迭代列表，直到到达要找的位置。current 变量所引用的就是要移除的远古三。那么要移除它，我们可以通过更新 previous.next 和 current.next.prev 的引用，在列表中跳过它。因此，previous.next 将 指向 current.next ，而 current.next.prev 将指向 previous。
完整代码
function DoublyLinkedList() {
let Node = function (elememt) {
this.elememt = elememt;
this.next = null;
this.prev = null; // 新增的
};
let length = 0;
let head = null;
let tail = null; // 新增的
this.append = function (elememt) {
let node = new Node(elememt),
current;
if (!head) {
head = node;
tail = node;
} else {
current = tail;
current.next = node;
node.prev = current;
tail = node;
}
length++;
};
this.insert = function (position, elememt) {
// 检查越界值
if (position >= 0 && position <= length) {
let node = new Node(elememt),
current = head,
previous,
index = 0;
if (position === 0) {
// 在第一个位置添加
if (!head) {
head = node;
tail = node;
} else {
node.next = current;
current.prev = node;
head = node;
}
} else if (position === length) {
// 最后一项
current = tail;
current.next = node;
node.prev = current;
tail = node;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
node.next = current;
previous.next = node;
current.prev = node;
node.prev = previous;
}
length++;
return true;
} else {
return false;
}
};
this.removeAt = function (position) {
// 检查越界值
if (position > -1 && position < length) {
let current = head,
previous,
index = 0;
// 移除第一项
if (position === 0) {
head = current.next;
// 如果只有一项，更新 tail
if (length === 1) {
tail = null;
} else {
head.prev = null;
}
} else if (position === length - 1) {
// 最后一项
current = tail;
tail = current.prev;
tail.next = null;
} else {
while (index++ < position) {
previous = current;
current = current.next;
}
// 将 previous 与 current 的下一项连接起来——跳过 current
previous.next = current.next;
current.next.prev = previous;
}
length--;
return current.elememt;
} else {
return null;
}
};
this.remove = function (elememt) {
let index = this.indexOf(elememt);
this.removeAt(index);
};
this.toString = function () {
let current = head,
str = '';
while (current) {
str += current.elememt + (current.next ? '-' : '');
current = current.next;
}
return str;
};
this.indexOf = function (elememt) {
let current = head,
index = 0;
while (current) {
if (current.elememt === elememt) {
return index;
}
current = current.next;
index++;
}
return -1;
};
this.isEmpty = function () {
return length === 0;
};
this.size = function () {
return length;
};
this.getHead = function () {
return head;
};
}
循环链表
循环链表可以像链表一样只有单向引用，也可以像双向链表一样有双向引用。循环链表和链表之间唯一的区别在于，最后一个元素指向下一个元素的指针（tail.next）不是引用 null, 而是指向第一个元素（head），如下图所示
双向链表有指向 head 元素的 tail.next ，和指向 tail 元素的 head.prev
小结
这一章中，学习了链表这种数据结构，及其辩题双向链表和循环链表，知道了如何在任意位置添加和移除元素，已经如何循环访问两边，比数组重要的优点就是，无需移动链表中的元素，就能轻松添加和移除元素。当你需要添加和移除很多元素的时候，最好的选择就是链表，而非数组。下一章将学习集合，最后一种顺序数据结构。
书籍链接： 学习 JavaScript 数据结构与算法