数据结构和算法(Golang实现)(15)常见数据结构-列表

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列表

一、列表 List

我们又经常听到列表 List数据结构，其实这只是更宏观的统称，表示存放数据的队列。

列表List：存放数据，数据按顺序排列，可以依次入队和出队，有序号关系，可以取出某序号的数据。先进先出的队列 (queue)和先进后出的栈（stack）都是列表。大家也经常听说一种叫线性表的数据结构，表示具有相同特性的数据元素的有限序列，实际上就是列表的同义词。

我们一般写算法进行数据计算，数据处理，都需要有个地方来存数据，我们可以使用封装好的数据结构List：

列表的实现有顺序表示或链式表示。

顺序表示：指的是用一组地址连续的存储单元依次存储线性表的数据元素，称为线性表的顺序存储结构。它以物理位置相邻来表示线性表中数据元素间的逻辑关系，可随机存取表中任一元素。顺序表示的又叫顺序表，也就是用数组来实现的列表。

链式表示：指的是用一组任意的存储单元存储线性表中的数据元素，称为线性表的链式存储结构。它的存储单元可以是连续的，也可以是不连续的。在表示数据元素之间的逻辑关系时，除了存储其本身的信息之外，还需存储一个指示其直接后继的信息，也就是用链表来实现的列表。

我们在前面已经实现过这两种表示的数据结构：先进先出的队列 (queue)和先进后出的栈（stack）。接下来我们会来实现链表形式的双端列表，也叫双端队列，这个数据结构应用场景更广泛一点。在实际工程应用上，缓存数据库Redis的列表List基本类型就是用它来实现的。

二、实现双端列表

双端列表，也可以叫双端队列

我们会用双向链表来实现这个数据结构：

// 双端列表，双端队列 type DoubleList struct { head *ListNode // 指向链表头部 tail *ListNode // 指向链表尾部 len int // 列表长度 lock sync.Mutex // 为了进行并发安全pop操作 } // 列表节点 type ListNode struct { pre *ListNode // 前驱节点 next *ListNode // 后驱节点 value string // 值 }

设计结构体DoubleList指向队列头部head和尾部tail的指针字段，方便找到链表最前和最后的节点，并且链表节点之间是双向链接的，链表的第一个元素的前驱节点为nil，最后一个元素的后驱节点也为nil。如图：

我们实现的双端列表和Golang标准库container/list中实现的不一样，感兴趣的可以阅读标准库的实现。

2.1.列表节点普通操作

// 获取节点值 func (node *ListNode) GetValue() string { return node.value } // 获取节点前驱节点 func (node *ListNode) GetPre() *ListNode { return node.pre } // 获取节点后驱节点 func (node *ListNode) GetNext() *ListNode { return node.next } // 是否存在后驱节点 func (node *ListNode) HashNext() bool { return node.pre != nil } // 是否存在前驱节点 func (node *ListNode) HashPre() bool { return node.next != nil } // 是否为空节点 func (node *ListNode) IsNil() bool { return node == nil }

以上是对节点结构体ListNode的操作，主要判断节点是否为空，有没有后驱和前驱节点，返回值等，时间复杂度都是O(1)。

2.2.从头部开始某个位置前插入新节点

// 添加节点到链表头部的第N个元素之前，N=0表示新节点成为新的头部 func (list *DoubleList) AddNodeFromHead(n int, v string) { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过列表长度，一定找不到，panic if n > list.len { panic("index out") } // 先找出头部 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } // 新节点 newNode := new(ListNode) newNode.value = v // 如果定位到的节点为空，表示列表为空，将新节点设置为新头部和新尾部 if node.IsNil() { list.head = newNode list.tail = newNode } else { // 定位到的节点，它的前驱 pre := node.pre // 如果定位到的节点前驱为nil，那么定位到的节点为链表头部，需要换头部 if pre.IsNil() { // 将新节点链接在老头部之前 newNode.next = node node.pre = newNode // 新节点成为头部 list.head = newNode } else { // 将新节点插入到定位到的节点之前 // 定位到的节点的前驱节点 pre 现在链接到新节点上 pre.next = newNode newNode.pre = pre // 定位到的节点的后驱节点 node.next 现在链接到新节点上 node.next.pre = newNode newNode.next = node.next } } // 列表长度+1 list.len = list.len + 1 }

首先加锁实现并发安全。然后判断索引是否超出列表长度：

// 索引超过列表长度，一定找不到，panic if n > list.len { panic("index out") }

如果n=0表示新节点想成为新的链表头部，n=1表示插入到链表头部数起第二个节点之前，新节点成为第二个节点，以此类推。

首先，找出头部：node := list.head，然后往后面遍历，定位到索引指定的节点node：

// 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next }

接着初始化新节点：newNode := new(ListNode)。

定位到的节点有三种情况，我们需要在该节点之前插入新节点：

判断定位到的节点node是否为空，如果为空，表明列表没有元素，将新节点设置为新头部和新尾部。

否则找到定位到的节点的前驱节点：pre := node.pre。

如果前驱节点为空：pre.IsNil()，表明定位到的节点node为头部，那么新节点要取代它，成为新的头部：

if pre.IsNil() { // 将新节点链接在老头部之前 newNode.next = node node.pre = newNode // 新节点成为头部 list.head = newNode }

新节点成为新的头部，需要将新节点的后驱设置为老头部：newNode.next = node，老头部的前驱为新头部：node.pre = newNode，并且新头部变化：list.head = newNode。

如果定位到的节点的前驱节点不为空，表明定位到的节点node不是头部节点，那么我们只需将新节点链接到节点node之前即可：

// 定位到的节点的前驱节点 pre 现在链接到新节点前 pre.next = newNode newNode.pre = pre // 定位到的节点链接到新节点之后 newNode.next = node node.pre = newNode

先将定位到的节点的前驱节点和新节点绑定，因为现在新节点插在前面了，把定位节点的前驱节点的后驱设置为新节点：pre.next = newNode，新节点的前驱设置为定位节点的前驱节点：newNode.pre = pre。

同时，定位到的节点现在要链接到新节点之后，所以新节点的后驱设置为：newNode.next = node，定位到的节点的前驱设置为：node.pre = newNode。

最后，链表长度加一。

大部分时间花在遍历位置上，如果n=0，那么时间复杂度为O(1)，否则为O(n)。

2.3.从尾部开始某个位置后插入新节点

// 添加节点到链表尾部的第N个元素之后，N=0表示新节点成为新的尾部 func (list *DoubleList) AddNodeFromTail(n int, v string) { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过列表长度，一定找不到，panic if n > list.len { panic("index out") } // 先找出尾部 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } // 新节点 newNode := new(ListNode) newNode.value = v // 如果定位到的节点为空，表示列表为空，将新节点设置为新头部和新尾部 if node.IsNil() { list.head = newNode list.tail = newNode } else { // 定位到的节点，它的后驱 next := node.next // 如果定位到的节点后驱为nil，那么定位到的节点为链表尾部，需要换尾部 if next.IsNil() { // 将新节点链接在老尾部之后 node.next = newNode newNode.pre = node // 新节点成为尾部 list.tail = newNode } else { // 将新节点插入到定位到的节点之后 // 新节点链接到定位到的节点之后 newNode.pre = node node.next = newNode // 定位到的节点的后驱节点链接在新节点之后 newNode.next = next next.pre = newNode } } // 列表长度+1 list.len = list.len + 1 }

操作和头部插入节点相似，自行分析。

2.4.从头部开始某个位置获取列表节点

// 从头部开始往后找，获取第N+1个位置的节点，索引从0开始。 func (list *DoubleList) IndexFromHead(n int) *ListNode { // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取头部节点 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } return node }

如果索引超出或等于列表长度，那么找不到节点，返回空。

否则从头部开始遍历，拿到节点。

时间复杂度为：O(n)。

2.5.从尾部开始某个位置获取列表节点

// 从尾部开始往前找，获取第N+1个位置的节点，索引从0开始。 func (list *DoubleList) IndexFromTail(n int) *ListNode { // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取尾部节点 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } return node }

操作和从头部获取节点一样，请自行分析。

2.6.从头部开始移除并返回某个位置的节点

// 从头部开始往后找，获取第N+1个位置的节点，并移除返回 func (list *DoubleList) PopFromHead(n int) *ListNode { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取头部 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } // 移除的节点的前驱和后驱 pre := node.pre next := node.next // 如果前驱和后驱都为nil，那么移除的节点为链表唯一节点 if pre.IsNil() && next.IsNil() { list.head = nil list.tail = nil } else if pre.IsNil() { // 表示移除的是头部节点，那么下一个节点成为头节点 list.head = next next.pre = nil } else if next.IsNil() { // 表示移除的是尾部节点，那么上一个节点成为尾节点 list.tail = pre pre.next = nil } else { // 移除的是中间节点 pre.next = next next.pre = pre } // 节点减一 list.len = list.len - 1 return node }

首先加并发锁实现并发安全。先判断索引是否超出列表长度：n >= list.len，如果超出直接返回空指针。

获取头部，然后遍历定位到第N+1个位置的元素：node = node.next。

定位到的并要移除的节点有三种情况发生：

查看要移除的节点的前驱和后驱：

// 移除的节点的前驱和后驱 pre := node.pre next := node.next

如果前驱和后驱都为空：pre.IsNil() && next.IsNil()，那么要移除的节点是链表中唯一的节点，直接将列表头部和尾部置空即可。

如果前驱节点为空：pre.IsNil()，表示移除的是头部节点，那么头部节点的下一个节点要成为新的头部：list.head = next，并且这时新的头部前驱要设置为空：next.pre = nil。

同理，如果后驱节点为空：next.IsNil()，表示移除的是尾部节点，需要将尾部节点的前一个节点设置为新的尾部：list.tail = pre，并且这时新的尾部后驱要设置为空：pre.next = nil。

如果移除的节点处于两个节点之间，那么将这两个节点链接起来即可:

// 移除的是中间节点 pre.next = next next.pre = pre

最后，列表长度减一。

主要的耗时用在定位节点上，其他的操作都是链表链接，可以知道时间复杂度为：O(n)。

2.7.从尾部开始移除并返回某个位置的节点

// 从尾部开始往前找，获取第N+1个位置的节点，并移除返回 func (list *DoubleList) PopFromTail(n int) *ListNode { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取尾部 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } // 移除的节点的前驱和后驱 pre := node.pre next := node.next // 如果前驱和后驱都为nil，那么移除的节点为链表唯一节点 if pre.IsNil() && next.IsNil() { list.head = nil list.tail = nil } else if pre.IsNil() { // 表示移除的是头部节点，那么下一个节点成为头节点 list.head = next next.pre = nil } else if next.IsNil() { // 表示移除的是尾部节点，那么上一个节点成为尾节点 list.tail = pre pre.next = nil } else { // 移除的是中间节点 pre.next = next next.pre = pre } // 节点减一 list.len = list.len - 1 return node }

操作和从头部移除节点相似，请自行分析。

2.8.完整例子

package main import ( "fmt" "sync" ) // 双端列表，双端队列 type DoubleList struct { head *ListNode // 指向链表头部 tail *ListNode // 指向链表尾部 len int // 列表长度 lock sync.Mutex // 为了进行并发安全pop操作 } // 列表节点 type ListNode struct { pre *ListNode // 前驱节点 next *ListNode // 后驱节点 value string // 值 } // 获取节点值 func (node *ListNode) GetValue() string { return node.value } // 获取节点前驱节点 func (node *ListNode) GetPre() *ListNode { return node.pre } // 获取节点后驱节点 func (node *ListNode) GetNext() *ListNode { return node.next } // 是否存在后驱节点 func (node *ListNode) HashNext() bool { return node.pre != nil } // 是否存在前驱节点 func (node *ListNode) HashPre() bool { return node.next != nil } // 是否为空节点 func (node *ListNode) IsNil() bool { return node == nil } // 返回列表长度 func (list *DoubleList) Len() int { return list.len } // 添加节点到链表头部的第N个元素之前，N=0表示新节点成为新的头部 func (list *DoubleList) AddNodeFromHead(n int, v string) { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过列表长度，一定找不到，panic if n > list.len { panic("index out") } // 先找出头部 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } // 新节点 newNode := new(ListNode) newNode.value = v // 如果定位到的节点为空，表示列表为空，将新节点设置为新头部和新尾部 if node.IsNil() { list.head = newNode list.tail = newNode } else { // 定位到的节点，它的前驱 pre := node.pre // 如果定位到的节点前驱为nil，那么定位到的节点为链表头部，需要换头部 if pre.IsNil() { // 将新节点链接在老头部之前 newNode.next = node node.pre = newNode // 新节点成为头部 list.head = newNode } else { // 将新节点插入到定位到的节点之前 // 定位到的节点的前驱节点 pre 现在链接到新节点前 pre.next = newNode newNode.pre = pre // 定位到的节点链接到新节点之后 newNode.next = node node.pre = newNode } } // 列表长度+1 list.len = list.len + 1 } // 添加节点到链表尾部的第N个元素之后，N=0表示新节点成为新的尾部 func (list *DoubleList) AddNodeFromTail(n int, v string) { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过列表长度，一定找不到，panic if n > list.len { panic("index out") } // 先找出尾部 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } // 新节点 newNode := new(ListNode) newNode.value = v // 如果定位到的节点为空，表示列表为空，将新节点设置为新头部和新尾部 if node.IsNil() { list.head = newNode list.tail = newNode } else { // 定位到的节点，它的后驱 next := node.next // 如果定位到的节点后驱为nil，那么定位到的节点为链表尾部，需要换尾部 if next.IsNil() { // 将新节点链接在老尾部之后 node.next = newNode newNode.pre = node // 新节点成为尾部 list.tail = newNode } else { // 将新节点插入到定位到的节点之后 // 新节点链接到定位到的节点之后 newNode.pre = node node.next = newNode // 定位到的节点的后驱节点链接在新节点之后 newNode.next = next next.pre = newNode } } // 列表长度+1 list.len = list.len + 1 } // 返回列表链表头结点 func (list *DoubleList) First() *ListNode { return list.head } // 返回列表链表尾结点 func (list *DoubleList) Last() *ListNode { return list.tail } // 从头部开始往后找，获取第N+1个位置的节点，索引从0开始。 func (list *DoubleList) IndexFromHead(n int) *ListNode { // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取头部节点 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } return node } // 从尾部开始往前找，获取第N+1个位置的节点，索引从0开始。 func (list *DoubleList) IndexFromTail(n int) *ListNode { // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取尾部节点 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } return node } // 从头部开始往后找，获取第N+1个位置的节点，并移除返回 func (list *DoubleList) PopFromHead(n int) *ListNode { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取头部 node := list.head // 往后遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.next } // 移除的节点的前驱和后驱 pre := node.pre next := node.next // 如果前驱和后驱都为nil，那么移除的节点为链表唯一节点 if pre.IsNil() && next.IsNil() { list.head = nil list.tail = nil } else if pre.IsNil() { // 表示移除的是头部节点，那么下一个节点成为头节点 list.head = next next.pre = nil } else if next.IsNil() { // 表示移除的是尾部节点，那么上一个节点成为尾节点 list.tail = pre pre.next = nil } else { // 移除的是中间节点 pre.next = next next.pre = pre } // 节点减一 list.len = list.len - 1 return node } // 从尾部开始往前找，获取第N+1个位置的节点，并移除返回 func (list *DoubleList) PopFromTail(n int) *ListNode { // 加并发锁 list.lock.Lock() defer list.lock.Unlock() // 索引超过或等于列表长度，一定找不到，返回空指针 if n >= list.len { return nil } // 获取尾部 node := list.tail // 往前遍历拿到第 N+1 个位置的元素 for i := 1; i <= n; i++ { node = node.pre } // 移除的节点的前驱和后驱 pre := node.pre next := node.next // 如果前驱和后驱都为nil，那么移除的节点为链表唯一节点 if pre.IsNil() && next.IsNil() { list.head = nil list.tail = nil } else if pre.IsNil() { // 表示移除的是头部节点，那么下一个节点成为头节点 list.head = next next.pre = nil } else if next.IsNil() { // 表示移除的是尾部节点，那么上一个节点成为尾节点 list.tail = pre pre.next = nil } else { // 移除的是中间节点 pre.next = next next.pre = pre } // 节点减一 list.len = list.len - 1 return node } func main() { list := new(DoubleList) // 在列表头部插入新元素 list.AddNodeFromHead(0, "I") list.AddNodeFromHead(0, "love") list.AddNodeFromHead(0, "you") // 在列表尾部插入新元素 list.AddNodeFromTail(0, "may") list.AddNodeFromTail(0, "happy") // 正常遍历，比较慢 for i := 0; i < list.Len(); i++ { // 从头部开始索引 node := list.IndexFromHead(i) // 节点为空不可能，因为list.Len()使得索引不会越界 if !node.IsNil() { fmt.Println(node.GetValue()) } } fmt.Println("----------") // 正常遍历，特别快 // 先取出第一个元素 first := list.First() for !first.IsNil() { // 如果非空就一直遍历 fmt.Println(first.GetValue()) // 接着下一个节点 first = first.GetNext() } fmt.Println("----------") // 元素一个个 POP 出来 for { node := list.PopFromHead(0) if node.IsNil() { // 没有元素了，直接返回 break } fmt.Println(node.GetValue()) } fmt.Println("----------") fmt.Println("len", list.Len()) }

输出：

you love I may happy ---------- you love I may happy ---------- you love I may happy ---------- len 0

首先，先从列表头部插入三个新元素，然后从尾部插入两个新元素，然后用三种方式进行遍历，两种只是查看元素，一种是遍历移除元素。

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一、列表 List

二、实现双端列表

2.1.列表节点普通操作

2.2.从头部开始某个位置前插入新节点

2.3.从尾部开始某个位置后插入新节点

2.4.从头部开始某个位置获取列表节点

2.5.从尾部开始某个位置获取列表节点

2.6.从头部开始移除并返回某个位置的节点

2.7.从尾部开始移除并返回某个位置的节点

2.8.完整例子

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