04 链表（上）：如何实现LRU缓存淘汰算法？

一、什么是链表？

1.和数组一样，链表也是一种线性表。

2.从内存结构来看，链表的内存结构是不连续的内存空间，是将一组零散的内存块串联起来，从而进行数据存储的数据结构。

3.链表中的每一个内存块被称为节点Node。结点除了存储数据外，还需记录链上下一个结点的地址，即后继指针next。

二、为什么使用链表？（链表的特点）

1.插入、删除效率高，时间复杂度为 O(1) 级别(只需更改指针指向即可)，随机访问效率低，时间复杂度为 O(n) 级别(需要从链头至链尾进行遍历)。

2.和数组相比，内存空间消耗更大，因为每个存储数据的节点都需要额外的空间存储后继指针。

三、常见的链表结构

1.单链表

1）每个节点只包含一个指针，即后继指针。

2）单链表有两个特殊的节点，即首节点和尾节点

为什么特殊？

• 用首节点地址表示整条链表
• 尾节点的后继指针指向空地址null

3）性能特点

插入和删除节点的时间复杂度为O（1）

查找的时间复杂度为O（n）

2.循环链表

循环链表是一种特殊的单链表，除了尾节点的后继指针指向首节点的地址外均与单链表一致

和单链表相比，循环链表的优点是从链表到链头比较方便。

适用于存储有循环特点的数据，如约瑟夫问题

3.双向链表

1）节点除了存储数据外，还有两个地址分别指向前一个节点地址（前驱指针prev）和下一个节点地址（后继指针next）

2）首节点的前驱指针prev和尾节点的后继指针均指向空地址

3）性能特点：

和单链表相比，存储相同的数据，需要消耗更多的存储空间。

插入、删除操作比单链表效率更高，为O（1）级别

以删除操作为例，删除操作分为2种情况：

• 给定数据值删除对应节点
• 给定节点地址删除节点
  
  对于前一种情况，单链表和双向链表都需要从头到尾进行遍历，从而找到对应节点进行删除。
  
  对于第二种情况，要进行删除操作必须找到前驱节点，单链表需要从头到尾进行遍历直到p->next = q，时间复杂度为O（n），而双向链表可以直接找到前驱节点，时间复杂度为O（1）.

对于一个有序链表，双向链表的按值查询效率要比单链表高一些。

因为我们可以记录上次查找的位置p，每一次查询时，根据要查找的值与p的大小关系，决定是往前还是往后查找，所以平均只需要查找一半的数据。

4.双向循环链表

首节点的前驱指针指向尾节点，尾节点的后继指针指向首节点。

四、选择数组还是链表？

1.插入、删除和随机访问的时间复杂度

数组：插入、删除的时间复杂度是O（n），随机访问的时间复杂度是O（1）

链表：插入、删除的时间复杂度是O（1），随机访问的时间复杂度是O（n）

2.数组的缺点

1）若申请内存空间很大，比如100MB，但若内存空间没有100Mb的连续空间时，则会申请失败，尽管内存可用空间超过100MB

2）大小固定，若存储空间不足，需进行扩容，一旦扩容就要进行数据复制（数据搬移），而这是非常耗时的。

3.链表的缺点

1）内存空间消耗更大，因为需要额外的空间存储指针信息。

2）对链表进行频繁的插入和删除操作，会导致频繁的内存申请和释放，容易造成内存碎片，如果时Java语言，还可能会造成频繁的GC（自动垃圾回收器）操作。

4.如何选择？

数组简单易用，在实现上使用连续的内存空间，可以借助CPU的缓冲机制预读数组中的数据，所以访问效率更高

链表在内存中并不是连续存储，所以对CPU缓存不友好，没办法预读

如果代码对内存的使用非常苛刻，那数组就更适合。