TypeScript数据结构与算法系列(一) —— 链表

本文主要是介绍TypeScript数据结构与算法系列(一) —— 链表，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

图源：你好算法
内存空间是所有程序的公共资源，在一个复杂的系统运行环境下，空闲的内存空间可能散落在内存各处。我们知道，存储数组的内存空间必须是连续的，而当数组非常大时，内存可能无法提供如此大的连续空间。此时链表的灵活性优势就体现出来了。

链表（linked list）是一种线性数据结构，其中的每个元素都是一个节点对象，各个节点通过“引用”相连接。引用记录了下一个节点的内存地址，通过它可以从当前节点访问到下一个节点。

链表的设计使得各个节点可以分散存储在内存各处，它们的内存地址无须连续。

观察图例，链表的组成单位是节点（node）对象。每个节点都包含两项数据：节点的“值”和指向下一节点的“引用”。

链表的首个节点被称为“头节点”，最后一个节点被称为“尾节点”。
尾节点指向的是“空”，它在 Java、C++ 和 Python 中分别被记为 null、nullptr 和 None 。
在 C、C++、Go 和 Rust 等支持指针的语言中，上述“引用”应被替换为“指针”。
如以下代码所示，链表节点 ListNode 除了包含值，还需额外保存一个引用（指针）。因此在相同数据量下，链表比数组占用更多的内存空间

/* 链表节点类 */
class ListNode {val: number;next: ListNode | null;constructor(val?: number, next?: ListNode | null) {this.val = val === undefined ? 0 : val;        // 节点值this.next = next === undefined ? null : next;  // 指向下一节点的引用}
}

链表常用操作

1.初始化链表

建立链表分为两步，第一步是初始化各个节点对象，第二步是构建节点之间的引用关系。初始化完成后，我们就可以从链表的头节点出发，通过引用指向 next 依次访问所有节点。

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
const n0 = new ListNode(1);
const n1 = new ListNode(3);
const n2 = new ListNode(2);
const n3 = new ListNode(5);
const n4 = new ListNode(4);
// 构建节点之间的引用
n0.next = n1;
n1.next = n2;
n2.next = n3;
n3.next = n4;

数组整体是一个变量，比如数组nums包含元素nums[0]和 nums[1] 等，而链表是由多个独立的节点对象组成的。我们通常将头节点当作链表的代称，比如以上代码中的链表可记作链表 n0

2. 插入节点

在链表中插入节点非常容易。如图例所示，假设我们想在相邻的两个节点n0和 n1 之间插入一个新节点 P ，则只需改变两个节点引用（指针）即可，时间复杂度为 O(1)
相比之下，在数组中插入元素的时间复杂度为O(n) ,在大数据量下的效率较低。

/* 在链表的节点 n0 之后插入节点 P */
function insert(n0: ListNode, P: ListNode): void {const n1 = n0.next;P.next = n1;n0.next = P;
}

3. 删除节点

如图 4-7 所示，在链表中删除节点也非常方便，只需改变一个节点的引用（指针）即可。

请注意，尽管在删除操作完成后节点 P 仍然指向 n1 ，但实际上遍历此链表已经无法访问到 P ，这意味着 P 已经不再属于该链表了。

/* 删除链表的节点 n0 之后的首个节点 */
function remove(n0: ListNode): void {if (!n0.next) {return;}// n0 -> P -> n1const P = n0.next;const n1 = P.next;n0.next = n1;
}

4. 访问节点

在链表中访问节点的效率较低。如上一节所述，我们可以在O(1)时间下访问数组中的任意元素。链表则不然，程序需要从头节点出发，逐个向后遍历，直至找到目标节点。也就是说，访问链表的第i个节点需要循环 i-1轮，时间复杂度为 O(n)。

/* 访问链表中索引为 index 的节点 */
function access(head: ListNode | null, index: number): ListNode | null {for (let i = 0; i < index; i++) {if (!head) {return null;}head = head.next;}return head;
}

5. 查找节点

遍历链表，查找其中值为 target的节点，输出该节点在链表中的索引。此过程也属于线性查找。代码如下所示：

/* 在链表中查找值为 target 的首个节点 */
function find(head: ListNode | null, target: number): number {let index = 0;while (head !== null) {if (head.val === target) {return index;}head = head.next;index += 1;}return -1;
}

数组VS链表

双向链表示例：

/* 双向链表节点类 */
class ListNode {val: number;next: ListNode | null;prev: ListNode | null;constructor(val?: number, next?: ListNode | null, prev?: ListNode | null) {this.val = val  ===  undefined ? 0 : val;        // 节点值this.next = next  ===  undefined ? null : next;  // 指向后继节点的引用this.prev = prev  ===  undefined ? null : prev;  // 指向前驱节点的引用}
}

单向链表通常用于实现栈、队列、哈希表和图等数据结构。

• 栈与队列：当插入和删除操作都在链表的一端进行时，它表现的特性为先进后出，对应栈；当插入操作在链表的一端进行，删除操作在链表的另一端进行，它表现的特性为先进先出，对应队列。
• 哈希表：链式地址是解决哈希冲突的主流方案之一，在该方案中，所有冲突的元素都会被放到一个链表中。
• 图：邻接表是表示图的一种常用方式，其中图的每个顶点都与一个链表相关联，链表中的每个元素都代表与该顶点相连的其他顶点。

双向链表常用于需要快速查找前一个和后一个元素的场景。

• 高级数据结构：比如在红黑树、B 树中，我们需要访问节点的父节点，这可以通过在节点中保存一个指向父节点的引用来实现，类似于双向链表.

• 浏览器历史：在网页浏览器中，当用户点击前进或后退按钮时，浏览器需要知道用户访问过的前一个和后一个网页。双向链表的特性使得这种操作变得简单。

• LRU 算法：在缓存淘汰（LRU）算法中，我们需要快速找到最近最少使用的数据，以及支持快速添加和删除节点。这时候使用双向链表就非常合适。

环形链表常用于需要周期性操作的场景，比如操作系统的资源调度。

• 时间片轮转调度算法：在操作系统中，时间片轮转调度算法是一种常见的 CPU调度算法，它需要对一组进程进行循环。每个进程被赋予一个时间片，当时间片用完时，CPU将切换到下一个进程。这种循环操作可以通过环形链表来实现。
• 数据缓冲区：在某些数据缓冲区的实现中，也可能会使用环形链表。比如在音频、视频播放器中，数据流可能会被分成多个缓冲块并放入一个环形链表，以便实现无缝播放。

这篇关于TypeScript数据结构与算法系列(一) —— 链表的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

---