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資訊專欄INFORMATION COLUMN

【譯】JavaScript數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(3):單向鏈表與雙向鏈表

Chiclaim / 847人閱讀

摘要:計算機科學(xué)中最常見的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是單鏈表和雙鏈表。雙向鏈表雙向鏈表具有單鏈表的所有功能,并將其擴展為在鏈表中可以進行雙向遍歷。雙向鏈表的操作我們的鏈表將包括兩個構(gòu)造函數(shù)和。與單鏈表不同,雙向鏈表包含對鏈表開頭和結(jié)尾節(jié)點的引用。

翻譯:瘋狂的技術(shù)宅
英文:https://code.tutsplus.com/art...
說明:本文翻譯自系列文章《Data Structures With JavaScript》,總共為四篇,原作者是在美國硅谷工作的工程師 Cho S. Kim 。這是本系列的第三篇。

說明:本專欄文章首發(fā)于公眾號:jingchengyideng 。

計算機科學(xué)中最常見的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是單鏈表和雙鏈表。

在我學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時候,曾經(jīng)問我的同伴在生活中有沒有類似的概念。我所聽到的例子是購物清單和火車。但是我最終明白了,這些類比是不準(zhǔn)確的,購物清單更類似隊列,火車則更像是一個數(shù)組。

隨著時間的推移,我終于發(fā)現(xiàn)了一個能夠準(zhǔn)確類比單鏈表和雙向鏈表的例子:尋寶游戲。 如果你對尋寶游戲和鏈表之間的關(guān)系感到好奇,請繼續(xù)往下讀。

單鏈表

在計算機科學(xué)中,單鏈表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),保存了一系列鏈接的節(jié)點。 每個節(jié)點中包含數(shù)據(jù)和一個可指向另一個節(jié)點的指針。

單鏈列表的節(jié)點非常類似于尋寶游戲中的步驟。 每個步驟都包含一條消息(例如“您已到達法國”)和指向下一步驟的指針(例如“訪問這些經(jīng)緯度坐標(biāo)”)。 當(dāng)我們開始對這些多帶帶的步驟進行排序并形成一系列步驟時,就是在玩一個尋寶游戲。

現(xiàn)在我們對單鏈表有了一個基本的概念,接下來討論單鏈表的操作

單鏈表的操作

因為單鏈表包含節(jié)點,這兩者的構(gòu)造函數(shù)可以是兩個獨立的構(gòu)造函數(shù),所以我們需要些構(gòu)造函數(shù):NodeSinglyList

Node

data 存儲數(shù)據(jù)

next 指向鏈表中下一個節(jié)點的指針

SinglyList

_length 用于表示鏈表中的節(jié)點數(shù)量

head 分配一個節(jié)點作為鏈表的頭

add(value) 向鏈表中添加一個節(jié)點

searchNodeAt(position) 找到在列表中指定位置 n 上的節(jié)點

remove(position) 刪除指定位置的節(jié)點

單鏈表的實現(xiàn)

在實現(xiàn)時,我們首先定義一個名為Node的構(gòu)造函數(shù),然后定義一個名為SinglyList的構(gòu)造函數(shù)。

Node 的每個實例都應(yīng)該能夠存儲數(shù)據(jù)并且能夠指向另外一個節(jié)點。 要實現(xiàn)此功能,我們將分別創(chuàng)建兩個屬性:datanext。

function Node(data) {
    this.data = data;
    this.next = null;
}

下一步我們定義SinglyList:

function SinglyList() {
    this._length = 0;
    this.head = null;
}

SinglyList 的每個實例有兩個屬性:_lengthhead。前者保存鏈表中的節(jié)點數(shù),后者指向鏈表的頭部,鏈表前面的節(jié)點。由于新創(chuàng)建的singlylist實例不包含任何節(jié)點,所以head的默認(rèn)值是null_length的默認(rèn)值是 0。

單鏈表的方法

我們需要定義可以從鏈表中添加、查找和刪除節(jié)點的方法。先從添加節(jié)點開始。

方法1/3: add(value)

太棒了,現(xiàn)在我們來實現(xiàn)將節(jié)點添加到鏈表的功能。

SinglyList.prototype.add = function(value) {
    var node = new Node(value),
        currentNode = this.head;
 
    // 1st use-case: an empty list 
    if (!currentNode) {
        this.head = node;
        this._length++;
         
        return node;
    }
 
    // 2nd use-case: a non-empty list
    while (currentNode.next) {
        currentNode = currentNode.next;
    }
 
    currentNode.next = node;
 
    this._length++;
     
    return node;
};

把節(jié)點添加到鏈表會涉及很多步驟。先從方法開始。 我們使用add(value)的參數(shù)來創(chuàng)建一個節(jié)點的新實例,該節(jié)點被分配給名為node的變量。我們還聲明了一個名為currentNode的變量,并將其初始化為鏈表的_head。 如果鏈表中還沒有節(jié)點,那么head的值為null

實現(xiàn)了這一點之后,我們將處理兩種情況。

第一種情況考慮將節(jié)點添加到空的鏈表中,如果head沒有指向任何節(jié)點的話,那么將該node指定為鏈表的頭,同時鏈表的長度加一,并返回node。

第二種情況考慮將節(jié)點添加到飛空鏈表。我們進入while循環(huán),在每次循環(huán)中,判斷currentNode.next是否指向下一個節(jié)點。(第一次循環(huán)時,CurrentNode指向鏈表的頭部。)

如果答案是否定的,我們會把currentnode.next指向新添加的節(jié)點,并返回node。

如果答案是肯定的,就進入while循環(huán)。 在循環(huán)體中,我們將currentNode重新賦值給currentNode.next。 重復(fù)這個過程,直到currentNode.next不再指向任何。換句話說,currentNode指向鏈表中的最后一個節(jié)點。

while循環(huán)結(jié)束后,使currentnode.next指向新添加的節(jié)點,同時_length加1,最后返回node。

方法2/3: searchNodeAt(position)

現(xiàn)在我們可以將節(jié)點添加到鏈表中了,但是還沒有辦法找到特定位置的節(jié)點。下面添加這個功能。創(chuàng)建一個名為searchNodeAt(position) 的方法,它接受一個名為 position 的參數(shù)。這個參數(shù)是個整數(shù),用來表示鏈表中的位置n。

SinglyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."};
 
    // 1st use-case: an invalid position 
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: a valid position 
    while (count < position) {
        currentNode = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    return currentNode;
};

if中檢查第一種情況:參數(shù)非法。

如果傳給searchNodeAt(position)的索引是有效的,那么我們執(zhí)行第二種情況 —— while循環(huán)。 在while的每次循環(huán)中,指向頭的currentNode被重新指向鏈表中的下一個節(jié)點。

這個循環(huán)不斷執(zhí)行,一直到count等于position

方法3/3: remove(position)

最后一個方法是remove(position)。

SinglyList.prototype.remove = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 0,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."},
        beforeNodeToDelete = null,
        nodeToDelete = null,
        deletedNode = null;
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (position < 0 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: the first node is removed
    if (position === 1) {
        this.head = currentNode.next;
        deletedNode = currentNode;
        currentNode = null;
        this._length--;
         
        return deletedNode;
    }
 
    // 3rd use-case: any other node is removed
    while (count < position) {
        beforeNodeToDelete = currentNode;
        nodeToDelete = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    beforeNodeToDelete.next = nodeToDelete.next;
    deletedNode = nodeToDelete;
    nodeToDelete = null;
    this._length--;
 
    return deletedNode;
};

我們要實現(xiàn)的remove(position)涉及三種情況:

無效的位置作為參數(shù)傳遞。

第一個位置(鏈表的的`head)作為參數(shù)的傳遞。

一個合法的位置(不是第一個位置)作為參數(shù)的傳遞。

前兩種情況是最簡單的處理。 關(guān)于第一種情況,如果鏈表為空或傳入的位置不存在,則會拋出錯誤。

第二種情況處理鏈表中第一個節(jié)點的刪除,這也是頭節(jié)點。 如果是這種情況,就執(zhí)行下面的邏輯:

頭被重新賦值給currentNode.next。

deletedNode指向currentNode

currentNode被重新賦值為null。

將的鏈表的長度減1。

返回deletedNode。

第三種情況是最難理解的。 其復(fù)雜性在于我們要在每一次循環(huán)中操作兩個節(jié)點的必要性。 在每次循環(huán)中,需要處理要刪除的節(jié)點和它前面的節(jié)點。當(dāng)循環(huán)到要被刪除的位置的節(jié)點時,循環(huán)終止。

在這一點上,我們涉及到三個節(jié)點:
beforeNodeToDelete, nodeToDelete, 和 deletedNode。刪除nodeToDelete之前,必須先把它的next的值賦給beforeNodeToDeletenext,如果不清楚這一步驟的目的,可以提醒自己有一個節(jié)點負(fù)責(zé)鏈接其前后的其他節(jié)點,只需要刪除這個節(jié)點,就可以把鏈表斷開。

接下來,我們將deletedNode賦值給nodeToDelete。 然后我們將nodeToDelete的值設(shè)置為null,將列表的長度減1,最后返回deletedNode。

單向鏈表的完整實現(xiàn)

以下是單向鏈表的完整實現(xiàn):

function Node(data) {
    this.data = data;
    this.next = null;
}
 
function SinglyList() {
    this._length = 0;
    this.head = null;
}
 
SinglyList.prototype.add = function(value) {
    var node = new Node(value),
        currentNode = this.head;
 
    // 1st use-case: an empty list
    if (!currentNode) {
        this.head = node;
        this._length++;
 
        return node;
    }
 
    // 2nd use-case: a non-empty list
    while (currentNode.next) {
        currentNode = currentNode.next;
    }
 
    currentNode.next = node;
 
    this._length++;
     
    return node;
};
 
SinglyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."};
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: a valid position
    while (count < position) {
        currentNode = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    return currentNode;
};
 
SinglyList.prototype.remove = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 0,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."},
        beforeNodeToDelete = null,
        nodeToDelete = null,
        deletedNode = null;
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (position < 0 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: the first node is removed
    if (position === 1) {
        this.head = currentNode.next;
        deletedNode = currentNode;
        currentNode = null;
        this._length--;
         
        return deletedNode;
    }
 
    // 3rd use-case: any other node is removed
    while (count < position) {
        beforeNodeToDelete = currentNode;
        nodeToDelete = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    beforeNodeToDelete.next = nodeToDelete.next;
    deletedNode = nodeToDelete;
    nodeToDelete = null;
    this._length--;
 
    return deletedNode;
};
從單鏈表到雙鏈表

我們已經(jīng)完整的實現(xiàn)了單鏈表,這真是極好的?,F(xiàn)在可以在一個占用費連續(xù)的空間的鏈表結(jié)構(gòu)中,進行添加、刪除和查找節(jié)點的操作了。

然而現(xiàn)在所有的操作都是從鏈表的起始位置開始,并運行到鏈表的結(jié)尾。換句話說,它們是單向的。

可能在某些情況下我們希望操作是雙向的。如果你考慮了這種可能性,那么你剛才就是描述了一個雙向鏈表。

雙向鏈表

雙向鏈表具有單鏈表的所有功能,并將其擴展為在鏈表中可以進行雙向遍歷。 換句話說,我們可從鏈表中第一個節(jié)點遍歷到到最后一個節(jié)點;也可以從最后一個節(jié)點遍歷到第一個節(jié)點。

在本節(jié)中,我們將重點關(guān)注雙向鏈表和單鏈列表之間的差異。

雙向鏈表的操作

我們的鏈表將包括兩個構(gòu)造函數(shù):NodeDoublyList??纯此麄兪窃鯓舆\作的。

Node

data 存儲數(shù)據(jù)。

next 指向鏈表中下一個節(jié)點的指針。

previous 指向鏈表中前一個節(jié)點的指針。

DoublyList

_length 保存鏈表中節(jié)點的個數(shù)

head 指定一個節(jié)點作為鏈表的頭節(jié)點

tail 指定一個節(jié)點作為鏈表的尾節(jié)點

add(value) 向鏈表中添加一個節(jié)點

searchNodeAt(position) 找到在列表中指定位置 n 上的節(jié)點

remove(position) 刪除鏈表中指定位置上的節(jié)點

雙向鏈表的實現(xiàn)

現(xiàn)在開始寫代碼!

在實現(xiàn)中,將會創(chuàng)建一個名為Node的構(gòu)造函數(shù):

function Node(value) {
    this.data = value;
    this.previous = null;
    this.next = null;
}

想要實現(xiàn)雙向鏈表的雙向遍歷,我們需要指向鏈表兩個方向的屬性。這些屬性被命名為previousnext。

接下來,我們需要實現(xiàn)DoublyList并添加三個屬性:_length,headtail。

與單鏈表不同,雙向鏈表包含對鏈表開頭和結(jié)尾節(jié)點的引用。 由于DoublyList剛被實例化時并不包含任何節(jié)點,所以headtail的默認(rèn)值都被設(shè)置為null。

function DoublyList() {
    this._length = 0;
    this.head = null;
    this.tail = null;
}
雙向鏈表的方法

接下來我們討論以下方法:add(value), remove(position), 和 searchNodeAt(position)。所有這些方法都用于單鏈表; 然而,它們必須備重寫為可以雙向遍歷。

方法1/3 add(value)
DoublyList.prototype.add = function(value) {
    var node = new Node(value);
 
    if (this._length) {
        this.tail.next = node;
        node.previous = this.tail;
        this.tail = node;
    } else {
        this.head = node;
        this.tail = node;
    }
 
    this._length++;
     
    return node;
};

在這個方法中,存在兩種可能。首先,如果鏈表是空的,則給它的head tail分配節(jié)點。其次,如果鏈表中已經(jīng)存在節(jié)點,則查找鏈表的尾部并把心節(jié)點分配給tail.next;同樣,我們需要配置新的尾部以供進行雙向遍歷。換句話說,我們需要把tail.previous設(shè)置為原來的尾部。

方法2/3 searchNodeAt(position)

searchNodeAt(position)的實現(xiàn)與單鏈表相同。 如果你忘記了如何實現(xiàn)它,請通過下面的代碼回憶:

DoublyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."};
 
    // 1st use-case: an invalid position 
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: a valid position 
    while (count < position) {
        currentNode = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    return currentNode;
};
方法3/3 remove(position)

理解這個方法是最具挑戰(zhàn)性的。我先寫出代碼,然后再解釋它。

DoublyList.prototype.remove = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."},
        beforeNodeToDelete = null,
        nodeToDelete = null,
        deletedNode = null;
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: the first node is removed
    if (position === 1) {
        this.head = currentNode.next;
 
        // 2nd use-case: there is a second node
        if (!this.head) {
            this.head.previous = null;
        // 2nd use-case: there is no second node
        } else {
            this.tail = null;
        }
 
    // 3rd use-case: the last node is removed
    } else if (position === this._length) {
        this.tail = this.tail.previous;
        this.tail.next = null;
    // 4th use-case: a middle node is removed
    } else {
        while (count < position) {
            currentNode = currentNode.next;
            count++;
        }
 
        beforeNodeToDelete = currentNode.previous;
        nodeToDelete = currentNode;
        afterNodeToDelete = currentNode.next;
 
        beforeNodeToDelete.next = afterNodeToDelete;
        afterNodeToDelete.previous = beforeNodeToDelete;
        deletedNode = nodeToDelete;
        nodeToDelete = null;
    }
 
    this._length--;
 
    return message.success;
};

remove(position) 處理以下四種情況:

如果remove(position)的參數(shù)傳遞的位置存在, 將會拋出一個錯誤。

如果remove(position)的參數(shù)傳遞的位置是鏈表的第一個節(jié)點(head),將把head賦值給deletedNode ,然后把head重新分配到鏈表中的下一個節(jié)點。 此時,我們必須考慮鏈表中否存在多個節(jié)點。 如果答案為否,頭部將被分配為null,之后進入if-else語句的if部分。 在if的代碼中,還必須將tail設(shè)置為null —— 換句話說,我們返回到一個空的雙向鏈表的初始狀態(tài)。如果刪除列表中的第一個節(jié)點,并且鏈表中存在多個節(jié)點,那么我們輸入if-else語句的else部分。 在這種情況下,我們必須正確地將headprevious屬性設(shè)置為null —— 在鏈表的頭前面是沒有節(jié)點的。

如果remove(position)的參數(shù)傳遞的位置是鏈表的尾部,首先把tail賦值給deletedNode,然后tail被重新賦值為尾部之前的那個節(jié)點,最后新尾部后面沒有其他節(jié)點,需要將其next值設(shè)置為null。

這里發(fā)生了很多事情,所以我將重點關(guān)注邏輯,而不是每一行代碼。 一旦CurrentNode指向的節(jié)點是將要被remove(position)刪除的節(jié)點時,就退出while循環(huán)。這時我們把nodeToDelete之后的節(jié)點重新賦值給beforeNodeToDelete.next。相應(yīng)的,
nodeToDelete之前的節(jié)點重新賦值給afterNodeToDelete.previous?!獡Q句話說,我們把指向已刪除節(jié)點的指針,改為指向正確的節(jié)點。最后,把nodeToDelete 賦值為null

最后,把鏈表的長度減1,返回deletedNode。

雙向鏈表的完整實現(xiàn)
function Node(value) {
    this.data = value;
    this.previous = null;
    this.next = null;
}
 
function DoublyList() {
    this._length = 0;
    this.head = null;
    this.tail = null;
}
 
DoublyList.prototype.add = function(value) {
    var node = new Node(value);
 
    if (this._length) {
        this.tail.next = node;
        node.previous = this.tail;
        this.tail = node;
    } else {
        this.head = node;
        this.tail = node;
    }
 
    this._length++;
 
    return node;
};
 
DoublyList.prototype.searchNodeAt = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."};
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: a valid position
    while (count < position) {
        currentNode = currentNode.next;
        count++;
    }
 
    return currentNode;
};
 
DoublyList.prototype.remove = function(position) {
    var currentNode = this.head,
        length = this._length,
        count = 1,
        message = {failure: "Failure: non-existent node in this list."},
        beforeNodeToDelete = null,
        nodeToDelete = null,
        deletedNode = null;
 
    // 1st use-case: an invalid position
    if (length === 0 || position < 1 || position > length) {
        throw new Error(message.failure);
    }
 
    // 2nd use-case: the first node is removed
    if (position === 1) {
        this.head = currentNode.next;
 
        // 2nd use-case: there is a second node
        if (!this.head) {
            this.head.previous = null;
        // 2nd use-case: there is no second node
        } else {
            this.tail = null;
        }
 
    // 3rd use-case: the last node is removed
    } else if (position === this._length) {
        this.tail = this.tail.previous;
        this.tail.next = null;
    // 4th use-case: a middle node is removed
    } else {
        while (count < position) {
            currentNode = currentNode.next;
            count++;
        }
 
        beforeNodeToDelete = currentNode.previous;
        nodeToDelete = currentNode;
        afterNodeToDelete = currentNode.next;
 
        beforeNodeToDelete.next = afterNodeToDelete;
        afterNodeToDelete.previous = beforeNodeToDelete;
        deletedNode = nodeToDelete;
        nodeToDelete = null;
    }
 
    this._length--;
 
    return message.success;
};
總結(jié)

本文中已經(jīng)介紹了很多信息。 如果其中任何地方看起來令人困惑,就再讀一遍并查看代碼。如果它最終對你有所幫助,我會感到自豪。你剛剛揭開了一個單鏈表和雙向鏈表的秘密,可以把這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到自己的編碼工具彈藥庫中!

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