一、基本概念与特性
- 定义与结构
链表是一种物理存储非连续的线性数据结构，其逻辑顺序通过节点间的指针链接实现。每个节点包含两个部分：
• 数据域：存储实际数据（如整数、字符串等）。 • 指针域：指向下一个节点的地址（单链表），或前驱/后继节点的地址（双向链表）。 - 核心特性
• 动态内存管理：链表节点在运行时动态生成，无需预先分配连续内存空间，适合处理未知规模的数据。 • 高效插入/删除：插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)（若已知节点位置），但查找特定节点需要 O(n) 时间。 • 空间开销：每个节点需额外存储指针，空间利用率低于数组。
二、链表的分类
- 单向链表
• 结构：每个节点仅包含指向后继节点的指针。 • 应用场景：简单场景（如栈、队列的实现）或作为其他数据结构的子结构（如哈希桶）。 - 双向链表
• 结构：节点包含前驱和后继指针，支持双向遍历。 • 优势：删除和反向遍历效率高，常用于需要频繁前向/后向操作的数据管理。 - 循环链表
• 结构：尾节点指向头节点，形成闭环，适用于周期性操作（如轮询任务调度）。 • 变体：双向循环链表进一步结合双向指针和循环特性。
三、基本操作与实现
- 核心操作
• 插入 ◦ 头插法：将新节点插入链表头部（需更新头指针）。 ◦ 尾插法：遍历至链表尾部插入节点，时间复杂度为 O(n)。 • 删除 ◦ 头删：直接移动头指针并释放内存。 ◦ 中间删除：需定位前驱节点以调整指针。 • 遍历：从头指针开始逐个访问节点，直至遇到NULL（单链表）或头节点（循环链表）。 - 高级操作
• 反转链表：通过迭代或递归调整指针方向。# 示例：Python迭代法反转链表（模拟实现） def reverse(self): prev = None current = self.head while current: next_node = current.next current.next = prev prev = current current = next_node self.head = prev # 网页10• 合并链表：归并排序中常用双指针法合并有序链表。 • 环形检测：快慢指针法（Floyd算法）判断链表是否存在环。
四、链表的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 动态扩展内存，无需预先分配固定空间 | 查找效率低（需遍历） |
| 插入/删除高效（无需移动其他元素） | 指针占用额外内存，空间利用率较低 |
| 灵活支持复杂操作（如双向遍历） | 对缓存不友好（非连续存储） |
五、应用场景
- 内存管理：动态分配内存块时使用链表跟踪空闲内存区域。
- 图的邻接表：存储图的顶点及其邻接关系。
- 哈希表冲突解决：通过链地址法处理哈希冲突。
- 任务调度：循环链表实现轮询调度算法。
六、实现注意事项
- 边界处理：需处理空链表、头尾节点等特殊情况（如删除最后一个节点时需更新尾指针）。
- 内存泄漏：动态分配节点后需手动释放内存（C/C++中需调用
free()或delete）。 - 语言差异：
• Python：通过类模拟链表（如定义Node类和LinkedList类）。 • C/C++：需显式管理指针和内存。
七、总结
链表是灵活且动态的数据结构，适用于频繁增删的场景，但需权衡其空间开销和查找效率。掌握其核心操作（如插入、删除、反转）及分类特性（如双向、循环）是解决复杂算法问题（如LRU缓存、合并K个有序链表）的关键。
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