Algoritme dan struktur data di Java, Bagian 4: Daftar tertaut tunggal

Seperti array, yang diperkenalkan di Bagian 3 dari seri tutorial ini, daftar tertaut adalah kategori struktur data fundamental di mana struktur data yang lebih kompleks dapat didasarkan. Tidak seperti urutan elemen, bagaimanapun, daftar tertaut adalah urutan node, di mana setiap node terhubung ke node sebelumnya dan berikutnya dalam urutan tersebut. Ingat bahwa node adalah objek yang dibuat dari kelas referensi sendiri, dan kelas referensi mandiri memiliki setidaknya satu bidang yang jenis referensinya adalah nama kelas. Node dalam daftar tertaut dihubungkan melalui referensi node. Berikut contohnya:

 class Employee { private int empno; private String name; private double salary; public Employee next; // Other members. }

Dalam contoh ini, Employeeadalah kelas referensi sendiri karena nextbidangnya memiliki tipe Employee. Bidang ini adalah contoh bidang tautan karena dapat menyimpan referensi ke objek lain di kelasnya - dalam hal ini Employeeobjek lain .

Tutorial ini memperkenalkan seluk beluk daftar tertaut tunggal dalam pemrograman Java. Anda akan mempelajari operasi untuk membuat daftar tertaut tunggal, menyisipkan node ke dalam daftar tertaut tunggal, menghapus node dari daftar tertaut tunggal, menggabungkan daftar tertaut tunggal ke daftar tertaut tunggal lainnya, dan membalik daftar tertaut tunggal. Kami juga akan menjelajahi algoritme yang paling umum digunakan untuk mengurutkan daftar tertaut tunggal, dan menyimpulkan dengan contoh yang mendemonstrasikan algoritme Sortir Penyisipan.

unduh Dapatkan kodenya Unduh tiga contoh aplikasi untuk artikel ini. Dibuat oleh Jeff Friesen untuk JavaWorld.

Apa itu daftar tertaut tunggal?

Sebuah daftar tunggal linked adalah daftar link dari node di mana setiap node memiliki medan link tunggal. Dalam struktur data ini, variabel referensi berisi referensi ke node pertama (atau teratas); setiap node (kecuali node terakhir atau paling bawah) terhubung ke node berikutnya; dan bidang tautan simpul terakhir berisi referensi nol untuk menandakan akhir daftar. Meskipun variabel referensi biasanya dinamai top, Anda dapat memilih nama apa pun yang Anda inginkan.

Gambar 1 menyajikan daftar tertaut tunggal dengan tiga node.

Di bawah ini adalah pseudocode untuk daftar tertaut tunggal.

 DECLARE CLASS Node DECLARE STRING name DECLARE Node next END DECLARE DECLARE Node top = NULL 

Nodeadalah kelas referensi mandiri dengan namebidang data dan nextbidang tautan. topadalah jenis variabel referensi Nodeyang menyimpan referensi ke Nodeobjek pertama dalam daftar tertaut tunggal. Karena daftarnya belum ada, topnilai awalnya adalah NULL.

Membuat daftar tertaut tunggal di Java

Anda membuat daftar tertaut tunggal dengan melampirkan satu Nodeobjek. Pseudocode berikut membuat Nodeobjek, menetapkan referensinya top, menginisialisasi bidang datanya, dan menetapkan NULLke bidang tautannya:

 top = NEW Node top.name = "A" top.next = NULL 

Gambar 2 menunjukkan daftar tertaut tunggal awal yang muncul dari kodesemu ini.

Operasi ini memiliki kompleksitas waktu O (1) - konstanta. Ingatlah bahwa O (1) diucapkan "Big Oh of 1." (Lihat Bagian 1 untuk pengingat tentang bagaimana pengukuran kompleksitas ruang dan waktu digunakan untuk mengevaluasi struktur data.)

Memasukkan node ke dalam daftar tertaut tunggal

Memasukkan node ke dalam daftar tertaut tunggal agak lebih rumit daripada membuat daftar tertaut tunggal karena ada tiga kasus yang perlu dipertimbangkan:

  • Penyisipan sebelum node pertama.
  • Penyisipan setelah node terakhir.
  • Penyisipan antara dua node.

Penyisipan sebelum node pertama

Node baru disisipkan sebelum node pertama dengan menetapkan referensi node teratas ke bidang link node baru dan menetapkan referensi node baru ke topvariabel. Operasi ini ditunjukkan oleh pseudocode berikut:

 DECLARE Node temp temp = NEW Node temp.name = "B" temp.next = top top = temp 

Dua Nodedaftar yang dihasilkan muncul pada Gambar 3.

Operasi ini memiliki kompleksitas waktu O (1).

Penyisipan setelah node terakhir

Node baru disisipkan setelah node terakhir dengan menetapkan null ke bidang link node baru, melintasi daftar tertaut tunggal untuk menemukan node terakhir, dan menetapkan referensi node baru ke bidang link node terakhir, seperti yang ditunjukkan oleh pseudocode berikut:

 temp = NEW Node temp.name = "C" temp.next = NULL DECLARE Node temp2 temp2 = top // We assume top (and temp2) are not NULL // because of the previous pseudocode. WHILE temp2.next NE NULL temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references the last node. temp2.next = temp 

Gambar 4 mengungkapkan daftar setelah penyisipan NodeC setelah NodeA.

Operasi ini memiliki kompleksitas waktu O ( n ) - linier. Kompleksitas waktunya dapat ditingkatkan menjadi O (1) dengan mempertahankan referensi ke node terakhir. Dalam hal ini tidak perlu mencari node terakhir.

Penyisipan antara dua node

Memasukkan node di antara dua node adalah kasus yang paling kompleks. Anda memasukkan node baru di antara dua node dengan menelusuri daftar untuk menemukan node yang muncul sebelum node baru, menetapkan referensi di kolom link node yang ditemukan ke kolom link node baru, dan menetapkan referensi node baru ke link node yang ditemukan bidang. Pseudocode berikut menunjukkan tugas-tugas ini:

 temp = NEW Node temp.name = "D" temp2 = top // We assume that the newly created Node inserts after Node // A and that Node A exists. In the real world, there is no // guarantee that any Node exists, so we would need to check // for temp2 containing NULL in both the WHILE loop's header // and after the WHILE loop completes. WHILE temp2.name NE "A" temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references Node A. temp.next = temp2.next temp2.next = temp 

Gambar 5 menyajikan daftar setelah penyisipan NodeD antara Nodes A dan C.

Operasi ini memiliki kompleksitas waktu O ( n ).

Menghapus node dari daftar tertaut tunggal

Menghapus node dari daftar tertaut tunggal juga lebih rumit daripada membuat daftar tertaut tunggal. Namun, hanya ada dua kasus yang perlu dipertimbangkan:

  • Penghapusan node pertama.
  • Penghapusan node apa pun kecuali node pertama.

Deletion of the first node

Deleting the first node involves assigning the link in the first node's link field to the variable that references the first node, but only when there is a first node:

 IF top NE NULL THEN top = top.next; // Reference the second Node (or NULL when there's only one Node). END IF 

Figure 6 presents before and after views of a list where the first Node has been deleted. Node B disappears and Node A becomes the first Node.

This operation has a time complexity of O(1).

Deletion of any node but the first node

Deleting any node but the first node involves locating the node that precedes the node to be deleted and assigning the reference in the node-to-be-deleted's link field to the preceding node's link field. Consider the following pseudocode:

 IF top NE NULL THEN temp = top WHILE temp.name NE "A" temp = temp.next END WHILE // We assume that temp references Node A. temp.next = temp.next.next // Node D no longer exists. END IF 

Figure 7 presents before and after views of a list where an intermediate Node is deleted. Node D disappears.

This operation has a time complexity of O(n).

Example #1: Create, insert, and delete in a singly linked list

I've created a Java application named SLLDemo that demonstrates how to create, insert, and delete nodes in a singly linked list. Listing 1 presents this application's source code.

Listing 1. Java application demo for singly linked lists (SSLDemo.java, version 1)

 public final class SLLDemo { private static class Node { String name; Node next; } public static void main(String[] args) { Node top = null; // 1. The singly linked list does not exist. top = new Node(); top.name = "A"; top.next = null; dump("Case 1", top); // 2. The singly linked list exists and the node must be inserted // before the first node. Node temp; temp = new Node(); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; dump("Case 2", top); // 3. The singly linked list exists and the node must be inserted // after the last node. temp = new Node(); temp.name = "C"; temp.next = null; Node temp2; temp2 = top; while (temp2.next != null) temp2 = temp2.next; temp2.next = temp; dump("Case 3", top); // 4. The singly linked list exists and the node must be inserted // between two nodes. temp = new Node(); temp.name = "D"; temp2 = top; while (temp2.name.equals("A") == false) temp2 = temp2.next; temp.next = temp2.next; temp2.next = temp; dump("Case 4", top); // 5. Delete the first node. top = top.next; dump("After first node deletion", top); // 5.1 Restore node B. temp = new Node(); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; // 6. Delete any node but the first node. temp = top; while (temp.name.equals("A") == false) temp = temp.next; temp.next = temp.next.next; dump("After D node deletion", top); } private static void dump(String msg, Node topNode) { System.out.print(msg + " "); while (topNode != null) { System.out.print(topNode.name + " "); topNode = topNode.next; } System.out.println(); } } 

Compile Listing 1 as follows:

 javac SLLDemo.java 

Run the resulting application as follows:

 java SLLDemo 

You should observe the following output:

 Case 1 A Case 2 B A Case 3 B A C Case 4 B A D C After first node deletion A D C After D node deletion B A C 

Concatenating singly linked lists

You might occasionally need to concatenate a singly linked list to another singly linked list. For example, suppose you have a list of words that start with letters A through M and another list of words starting with letters N through Z, and you want to combine these lists into a single list. The following pseudocode describes an algorithm for concatenating one singly linked list to another:

 DECLARE Node top1 = NULL DECLARE Node top2 = NULL // Assume code that creates top1-referenced singly linked list. // Assume code that creates top2-referenced singly linked list. // Concatenate top2-referenced list to top1-referenced list. IF top1 EQ NULL top1 = top2 END END IF // Locate final Node in top1-referenced list. DECLARE Node temp = top1 WHILE temp.next NE NULL temp = temp.next END WHILE // Concatenate top2 to top1. temp.next = top2 END 

In the trivial case, there is no top1-referenced list, and so top1 is assigned top2's value, which would be NULL if there was no top2-referenced list.

This operation has a time complexity of O(1) in the trivial case and a time complexity of O(n) otherwise. However, if you maintain a reference to the last node, there's no need to search the list for this node; the time complexity changes to O(1).

Inverting a singly linked list

Another useful operation on a singly linked list is inversion, which reverses the list's links to let you traverse its nodes in the opposite direction. The following pseudocode reverses the top1-referenced list's links:

 DECLARE Node p = top1 // Top of original singly linked list. DECLARE Node q = NULL // Top of reversed singly linked list. DECLARE Node r // Temporary Node reference variable. WHILE p NE NULL // For each Node in original singly linked list ... r = q // Save future successor Node's reference. q = p // Reference future predecessor Node. p = p.next // Reference next Node in original singly linked list. q.next = r // Link future predecessor Node to future successor Node. END WHILE top1 = q // Make top1 reference first Node in reversed singly linked list. END 

This operation has a time complexity of O(n).

Example #2: Concatenating and inverting a singly linked list

Saya telah membuat versi kedua dari SLLDemoaplikasi Java yang mendemonstrasikan penggabungan dan inversi. Kode 2 menyajikan kode sumber aplikasi ini.