說明：設計模式系列文章是讀劉偉所著《設計模式的藝術之道(軟件開發人員內功修鍊之道)》一書的閱讀筆記。個人感覺這本書講的不錯，有興趣推薦讀一讀。詳細內容也可以看看此書作者的博客https://blog.csdn.net/LoveLion/article/details/17517213

模式概述

絕大多數B/S系統都有一個首頁或者導航頁面，大部分C/S系統都提供了菜單或者工具欄，在這裏，首頁和導航頁面就充當了B/S系統的外觀角色，而菜單和工具欄充當了C/S系統的外觀角色，通過它們用戶可以快速訪問子系統，增強了軟件的易用性。

在軟件開發中，有時候為了完成一項較為複雜的功能，一個客戶類需要和多個業務類交互，而這些需要交互的業務類經常會作為一個整體出現，由於涉及到的類比較多，導致使用時代碼較為複雜，此時，特別需要一個類似服務員一樣的角色，由它來負責和多個業務類進行交互，而客戶類只需與該類交互。外觀模式通過引入一個外觀角色(Facade)來簡化客戶端與子系統(Subsystem)之間的交互，為複雜的子系統調用提供一個統一的入口，降低子系統與客戶端的耦合度，使得客戶端調用非常方便。

模式定義

外觀模式中，一個子系統的外部與其內部的通信通過一個統一的外觀類進行，外觀類將客戶類與子系統的內部複雜性分隔開，使得客戶類只需要與外觀角色打交道，而不需要與子系統內部的很多對象打交道。

外觀模式(Facade Pattern)：為子系統中的一組接口提供一個統一的入口。外觀模式定義了一個高層接口，這個接口使得這一子系統更加容易使用

外觀模式又稱為門面模式，它是一種對象結構型模式。外觀模式是迪米特法則的一種具體實現，通過引入一個新的外觀角色可以降低原有系統的複雜度，同時降低客戶類與子系統的耦合度。

模式結構圖

外觀模式沒有一個一般化的類圖描述，下圖所示的類圖也可以作為描述外觀模式的結構圖：

外觀模式包含如下兩個角色：

• Facade（外觀角色）：在客戶端可以調用它的方法，在外觀角色中可以知道相關的（一個或者多個）子系統的功能和責任；在正常情況下，它將所有從客戶端發來的請求委派到相應的子系統去，傳遞給相應的子系統對象處理。

• SubSystem（子系統角色）：在軟件系統中可以有一個或者多個子系統角色，每一個子系統可以不是一個單獨的類，而是一個類的集合，它實現子系統的功能；每一個子系統都可以被客戶端直接調用，或者被外觀角色調用，它處理由外觀類傳過來的請求；子系統並不知道外觀的存在，對於子系統而言，外觀角色僅僅是另外一個客戶端而已。

模式偽代碼

外觀模式中所指的子系統是一個廣義的概念，它可以是一個類、一個功能模塊、系統的一個組成部分或者一個完整的系統。子系統類通常是一些業務類，實現了一些具體的、獨立的業務功能，其典型代碼如下：

public class SubSystemA {

    public void methodA() {
        //業務實現代碼
    }
}

public class SubSystemB {

    public void methodB() {
        //業務實現代碼
    }
}

public class SubSystemC {

    public void methodC() {
        //業務實現代碼
    }
}

引入外觀類，與子系統業務類之間的交互統一由外觀類來完成

public class Facade {
    private SubSystemA obj1 = new SubSystemA();
    private SubSystemB obj2 = new SubSystemB();
    private SubSystemC obj3 = new SubSystemC();

    public void method() {
        obj1.methodA();
        obj2.methodB();
        obj3.methodC();
    }
}

由於在外觀類中維持了對子系統對象的引用，客戶端可以通過外觀類來間接調用子系統對象的業務方法，而無須與子系統對象直接交互。引入外觀類后，客戶端代碼變得非常簡單，典型代碼如下：

public static void main(String[] args) {
    Facade facade = new Facade();
    facade.method();
}

模式改進

在標準的外觀模式中，如果需要增加、刪除或更換與外觀類交互的子系統類，必須修改外觀類或客戶端的源代碼，這將違背開閉原則，因此可以通過引入抽象外觀類來對系統進行改進，在一定程度上可以解決該問題。在引入抽象外觀類之後，客戶端可以針對抽象外觀類進行編程，對於新的業務需求，不需要修改原有外觀類，而對應增加一個新的具體外觀類，由新的具體外觀類來關聯新的子系統對象。

定義抽象外觀類

public abstract class AbstractFacade {
    public abstract void method();
}

根據具體的場景，實現具體的外觀類

public class Facade1 extends AbstractFacade {

    private SubSystemA obj1 = new SubSystemA();
    private SubSystemB obj2 = new SubSystemB();

    @Override
    public void method() {
        obj1.methodA();
        obj2.methodB();
    }
}

public class Facade2 extends AbstractFacade {

    private SubSystemB obj1 = new SubSystemB();
    private SubSystemC obj2 = new SubSystemC();

    @Override
    public void method() {
        obj1.methodB();
        obj2.methodC();
    }
}

客戶端針對抽象外觀類進行編程，代碼片段如下：

public static void main(String[] args) {
    AbstractFacade facade = new Facade1();
    // facade = new Facade2();
    facade.method();
}

模式應用

個人認為外觀模式某些情況下可以看成是對既有系統的再次封裝，所以各種類庫、工具庫(比如hutool)、框架基本都有外觀模式的影子。外觀模式讓調用方更加簡潔，不用關心內部的實現，與此同時，也讓越來越多的程序猿多了個調包俠的昵稱(當然了這其中也包括筆者●´ω｀●行無際)。

所以，你可能在很多開源代碼中看到類似XxxBootstrap、XxxContext、XxxMain等類似的Class，再追進去看一眼，你可能發現裏面關聯了一大堆的複雜的對象，這些對象對於外層調用者來說幾乎是透明的。

例子太多，以致於不知道舉啥例子(實際是偷懶的借口O(∩_∩)O哈哈~)。

模式總結

外觀模式並不給系統增加任何新功能，它僅僅是簡化調用接口。在幾乎所有的軟件中都能夠找到外觀模式的應用。所有涉及到與多個業務對象交互的場景都可以考慮使用外觀模式進行重構。

主要優點

(1) 它對客戶端屏蔽了子系統組件，減少了客戶端所需處理的對象數目，並使得子系統使用起來更加容易。通過引入外觀模式，客戶端代碼將變得很簡單，與之關聯的對象也很少。

(2) 它實現了子系統與客戶端之間的松耦合關係，這使得子系統的變化不會影響到調用它的客戶端，只需要調整外觀類即可。

(3) 一個子系統的修改對其他子系統沒有任何影響，而且子系統內部變化也不會影響到外觀對象。

適用場景

(1) 當要為訪問一系列複雜的子系統提供一個簡單入口時可以使用外觀模式。

(2) 客戶端程序與多個子系統之間存在很大的依賴性。引入外觀類可以將子系統與客戶端解耦，從而提高子系統的獨立性和可移植性。

(3) 在層次化結構中，可以使用外觀模式定義系統中每一層的入口，層與層之間不直接產生聯繫，而通過外觀類建立聯繫，降低層之間的耦合度。

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 Java 多線程基礎（十二）生產者與消費者

一、生產者與消費者模型

生產者與消費者問題是個非常典型的多線程問題，涉及到的對象包括“生產者”、“消費者”、“倉庫”和“產品”。他們之間的關係如下：

①、生產者僅僅在倉儲未滿時候生產，倉滿則停止生產。
②、消費者僅僅在倉儲有產品時候才能消費，倉空則等待。
③、當消費者發現倉儲沒產品可消費時候會通知生產者生產。
④、生產者在生產出可消費產品時候，應該通知等待的消費者去消費。

生產者消費者模型具體來講，就是在一個系統中，存在生產者和消費者兩種角色，他們通過內存緩衝區進行通信，生產者生產消費者需要的資料，消費者把資料做成產品。生產消費者模式如下圖。

在日益發展的服務類型中，譬如註冊用戶這種服務，它可能解耦成好幾種獨立的服務（賬號驗證，郵箱驗證碼，手機短信碼等）。它們作為消費者，等待用戶輸入數據，在前台數據提交之後會經過分解併發送到各個服務所在的url，分發的那個角色就相當於生產者。消費者在獲取數據時候有可能一次不能處理完，那麼它們各自有一個請求隊列，那就是內存緩衝區了。做這項工作的框架叫做消息隊列。

二、生產者與消費者實現

下面通過生產包子的例子及wait()/notify()方式實現該模型(後面學習線程池相關內容之後，再通過其它方式實現生產/者消費者模型)。

麵包類：

public class Bread {
    private int capacity;    // 麵包的容量
    private int size;        // 麵包的實際數量
    public Bread(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
    }
    
    // 生產麵包
    public synchronized void produce(int val) {
        try {
             // left 表示“想要生產的數量”(有可能生產量太多，需多此生產)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存已滿時，等待“消費者”消費產品。
                while (size >= capacity)
                    wait();
                // 獲取“實際生產的數量”(即庫存中新增的數量)
                // 如果“庫存”+“想要生產的數量”>“總的容量”，則“實際增量”=“總的容量”-“當前容量”。(此時填滿倉庫)
                // 否則“實際增量”=“想要生產的數量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消費者”可以消費了。
                notifyAll();
            }
        }catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 消費麵包
    public synchronized void consume(int val) {
        try {
             // left 表示“客戶要消費數量”(有可能消費量太大，庫存不夠，需多此消費)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存為0時，等待“生產者”生產產品。
                while (size <= 0)
                    wait();
                // 獲取“實際消費的數量”(即庫存中實際減少的數量)
                // 如果“庫存”<“客戶要消費的數量”，則“實際消費量”=“庫存”；
                // 否則，“實際消費量”=“客戶要消費的數量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

生產者類

public class Producer{
    Bread bread;
    public Producer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void produce(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.produce(val);
        }).start();;
    }
}

消費者類

public class Customer {
    private Bread bread;
    public Customer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void consume(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.consume(val);
        }).start();;
    }
}

測試類代碼

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Bread bread = new Bread(100);
        Producer producer = new Producer(bread);
        Cunstomer customer = new Customer(bread);
        
        producer.produce(60);
        producer.produce(120);
        consumer.consume(90);
        consumer.consume(150);
        producer.produce(110);
    }
}

// 運行結果
Thread-1 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-5 produce(110) --> left= 70, inc= 40, size=100
Thread-4 consume(150) <-- left= 50, dec=100, size=  0
Thread-2 produce(120) --> left= 20, inc=100, size=100
Thread-3 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-4 consume(150) <-- left= 40, dec= 10, size=  0
Thread-5 produce(110) --> left=  0, inc= 70, size= 70
Thread-4 consume(150) <-- left=  0, dec= 40, size= 30
Thread-2 produce(120) --> left=  0, inc= 20, size= 50

說明：

①、Producer是“生產者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當調用“生產者”的produce()方法時，它會新建一個線程並向“麵包類”中生產產品。
②、Customer是“消費者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當調用“消費者”的consume()方法時，它會新建一個線程並消費“麵包類”中的產品。
③、Bread是麵包類，記錄“麵包的產量(capacity)”以及麵包當前實際數目(size)”。
        麵包類的生產方法produce()和消費方法consume()方法都是synchronized方法，進入synchronized方法體，意味着這個線程獲取到了該“麵包”對象的同步鎖。這也就是說，同一時間，生產者和消費者線程只能有一個能運行。通過同步鎖，實現了對“殘酷”的互斥訪問。
       對於生產方法 produce() 而言：當麵包量滿時，生產者線程等待，需要等待消費者消費產品之後，生產線程才能生產；生產者線程生產完麵包之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有線程，包括“消費者線程”，即我們所說的“通知消費者進行消費”。
      對於消費方法consume()而言：當倉庫為空時，消費者線程等待，需要等待生產者生產產品之後，消費者線程才能消費；消費者線程消費完產品之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有線程，包括“生產者線程”，即我們所說的“通知生產者進行生產”。

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1.概述

之前介紹了如何構建一個推薦系統，今天給大家介紹如何基於用戶的協同過濾來構建推薦的實戰篇。

2.內容

協同過濾技術在推薦系統中應用的比較廣泛，它是一個快速發展的研究領域。它比較常用的兩種方法是基於內存（Memory-Based）和基於模型（Model-Based）。

• 基於內存：主要通過計算近似度來進行推薦，比如基於用戶（Used-Based）和基於物品（Item-Based）的協同過濾，這兩個模式中都會首先構建用戶交互矩陣，然後矩陣的行向量和列向量可以用來表示用戶和物品，然後計算用戶和物品的相似度來進行推薦；
• 基於模型：主要是對交互矩陣進行填充，預測用戶購買某個物品的可能性。

為了解決這些問題，可以通過建立協同過濾模型，利用購買數據向客戶推薦產品。下面，我們通過基於用戶的協同過濾（基於內存），通過實戰來一步步實現其中的細節。基於用戶的系統過濾體現在具有相似特徵的人擁有相似的喜好。比如，用戶A向用戶B推薦了物品C，而B購買過很多類似C的物品，並且評價也高。那麼，在未來，用戶B也會有很大的可能會去購買物品C，並且用戶B會基於相似度度量來推薦物品C。

2.1 基於用戶與用戶的協同過濾

這種方式識別與查詢用戶相似的用戶，並估計期望的評分為這些相似用戶評分的加權平均值。實戰所使用的Python語言，這裏需要依賴的庫如下：

• pandas
• numpy
• sklearn

Python環境：

• 版本3.7.6
• Anaconda3

2.2 評分函數

這裏給非個性化協同過濾（不包含活躍用戶的喜歡、不喜歡、以及歷史評分），返回一個以用戶U和物品I作為輸入參數的分數。該函數輸出一個分數，用於量化用戶U喜歡 / 偏愛物品I的程度。這通常是通過對與用戶相似的人的評分來完成的。涉及的公式如下：

 這裏其中s為預測得分，u為用戶，i為物品，r為用戶給出的評分，w為權重。在這種情況下，我們的分數等於每個用戶對該項目的評價減去該用戶的平均評價再乘以某個權重的總和，這個權重表示該用戶與其他用戶有多少相似之處，或者對其他用戶的預測有多少貢獻。這是用戶u和v之間的權重，分數在0到1之間，其中0是最低的，1是最高的。理論上看起來非常完美，那為啥需要從每個用戶的評分中減去平均評分，為啥要使用加權平均而不是簡單平均？這是因為我們所處理的用戶類型，首先，人們通常在不同的尺度上打分，用戶A可能是一個积極樂觀的用戶，會給用戶A自己喜歡的電影平均高分（例如4分、或者5分）。而用戶B是一個不樂觀或者對評分標準比較高的用戶，他可能對最喜歡的電影評分為2分到5分之間。用戶B的2分對應到用戶A的4分。改進之處是可以通過規範化用戶評分來提高算法效率。一種方法是計算s(u,i)的分數，它是用戶對每件物品的平均評價加上一些偏差。通過使用餘弦相似度來計算上述公式中給出的權重，同時，按照上述方式對數據進行歸一化，在pandas中進行一些數據分析。

2.2.1 導入Python依賴包

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.metrics.pairwise import cosine_similarity
from sklearn.metrics import pairwise_distances

2.2.2 加載數據源

加載數據示例代碼如下所示：

movies = pd.read_csv("data/movies.csv")
Ratings = pd.read_csv("data/ratings.csv")
Tags = pd.read_csv("data/tags.csv")

結果預覽如下：

print(movies.head())
print(Ratings.head())
print(Tags.head())

 構建數據：

Mean = Ratings.groupby(by="userId", as_index=False)['rating'].mean()
Rating_avg = pd.merge(Ratings, Mean, on='userId')
Rating_avg['adg_rating'] = Rating_avg['rating_x'] - Rating_avg['rating_y']
print(Rating_avg.head())

結果如下：

2.3 餘弦相似度

 對於上面的公式，我們需要找到有相似想法的用戶。找到一個喜歡和不喜歡的用戶聽起來很有意思，但是我們如何找到相似性呢？那麼這裏我們就需要用到餘弦相似度，看看用戶有多相似。它通常是根據用戶過去的評分來計算的。

這裏使用到Python的的sklearn的cosine_similarity函數來計算相似性，並做一些數據預處理和數據清洗。實例代碼如下：

check = pd.pivot_table(Rating_avg,values='rating_x',index='userId',columns='movieId')
print(check.head())
final = pd.pivot_table(Rating_avg,values='adg_rating',index='userId',columns='movieId')
print(final.head())

結果如下：

上圖中包含了很多NaN的值，這是因為每個用戶都沒有看過所有的電影，所以這種類型的矩陣被稱為稀疏矩陣。類似矩陣分解的方法被用來處理這種稀疏性，接下來，我們來對這些NaN值做相關替換。

這裏通常有兩種方式：

1. 使用行上的用戶平均值；
2. 用戶在列上的電影平均值

代碼如下：

# Replacing NaN by Movie Average
final_movie = final.fillna(final.mean(axis=0))
print(final_movie.head())

# Replacing NaN by user Average
final_user = final.apply(lambda row: row.fillna(row.mean()), axis=1)
print(final_user.head())

結果如下：

 接着，我們開始計算用戶之間的相似性，代碼如下：

# user similarity on replacing NAN by item(movie) avg
cosine = cosine_similarity(final_movie)
np.fill_diagonal(cosine, 0)
similarity_with_movie = pd.DataFrame(cosine, index=final_movie.index)
similarity_with_movie.columns = final_user.index
# print(similarity_with_movie.head())

# user similarity on replacing NAN by user avg
b = cosine_similarity(final_user)
np.fill_diagonal(b, 0 )
similarity_with_user = pd.DataFrame(b,index=final_user.index)
similarity_with_user.columns=final_user.index
# print(similarity_with_user.head())

結果如下：

 然後，我們來檢驗一下我們的相似度是否有效，代碼如下：

def get_user_similar_movies( user1, user2 ):
    common_movies = Rating_avg[Rating_avg.userId == user1].merge(
    Rating_avg[Rating_avg.userId == user2],
    on = "movieId",
    how = "inner" )
    return common_movies.merge( movies, on = 'movieId' )

a = get_user_similar_movies(370,86309)
a = a.loc[ : , ['rating_x_x','rating_x_y','title']]
print(a.head())

結果如下：

 從上圖中，我們可以看出產生的相似度幾乎是相同的，符合真實性。

2.4 相鄰用戶

在2.3中計算了所有用戶的相似度，但是在大數據領域，推薦系統與大數據相結合是至關重要的。以電影推薦為例子，構建一個矩陣（862 * 862），這個與實際的用戶數據（百萬、千萬或者更多）相比，這是一個很小的矩陣。因此在計算任何物品的分數時，如果總是查看所有其他用戶將不是一個好的解決方案或者方法。因此，採用相鄰用戶的思路，對於特定用戶，只取K個類似用戶的集合。

下面，我們對K取值30，所有的用戶都有30個相鄰用戶，代碼如下：

def find_n_neighbours(df,n):
    order = np.argsort(df.values, axis=1)[:, :n]
    df = df.apply(lambda x: pd.Series(x.sort_values(ascending=False)
           .iloc[:n].index, 
          index=['top{}'.format(i) for i in range(1, n+1)]), axis=1)
    return df

# top 30 neighbours for each user
sim_user_30_u = find_n_neighbours(similarity_with_user,30)
print(sim_user_30_u.head())

sim_user_30_m = find_n_neighbours(similarity_with_movie,30)
print(sim_user_30_m.head())

結果如下：

 2.5 計算最後得分

實現代碼如下所示：

def User_item_score(user,item):
    a = sim_user_30_m[sim_user_30_m.index==user].values
    b = a.squeeze().tolist()
    c = final_movie.loc[:,item]
    d = c[c.index.isin(b)]
    f = d[d.notnull()]
    avg_user = Mean.loc[Mean['userId'] == user,'rating'].values[0]
    index = f.index.values.squeeze().tolist()
    corr = similarity_with_movie.loc[user,index]
    fin = pd.concat([f, corr], axis=1)
    fin.columns = ['adg_score','correlation']
    fin['score']=fin.apply(lambda x:x['adg_score'] * x['correlation'],axis=1)
    nume = fin['score'].sum()
    deno = fin['correlation'].sum()
    final_score = avg_user + (nume/deno)
    return final_score

score = User_item_score(320,7371)
print("score (u,i) is",score)

結果如下：

這裏我們算出來的預測分數是4.25，因此可以認為用戶（370），可能喜歡ID（7371）的電影。接下來，我們給用戶（370）做電影推薦，實現代碼如下：

Rating_avg = Rating_avg.astype({"movieId": str})
Movie_user = Rating_avg.groupby(by = 'userId')['movieId'].apply(lambda x:','.join(x))

def User_item_score1(user):
    Movie_seen_by_user = check.columns[check[check.index==user].notna().any()].tolist()
    a = sim_user_30_m[sim_user_30_m.index==user].values
    b = a.squeeze().tolist()
    d = Movie_user[Movie_user.index.isin(b)]
    l = ','.join(d.values)
    Movie_seen_by_similar_users = l.split(',')
    Movies_under_consideration = list(set(Movie_seen_by_similar_users)-set(list(map(str, Movie_seen_by_user))))
    Movies_under_consideration = list(map(int, Movies_under_consideration))
    score = []
    for item in Movies_under_consideration:
        c = final_movie.loc[:,item]
        d = c[c.index.isin(b)]
        f = d[d.notnull()]
        avg_user = Mean.loc[Mean['userId'] == user,'rating'].values[0]
        index = f.index.values.squeeze().tolist()
        corr = similarity_with_movie.loc[user,index]
        fin = pd.concat([f, corr], axis=1)
        fin.columns = ['adg_score','correlation']
        fin['score']=fin.apply(lambda x:x['adg_score'] * x['correlation'],axis=1)
        nume = fin['score'].sum()
        deno = fin['correlation'].sum()
        final_score = avg_user + (nume/deno)
        score.append(final_score)
    data = pd.DataFrame({'movieId':Movies_under_consideration,'score':score})
    top_5_recommendation = data.sort_values(by='score',ascending=False).head(5)
    Movie_Name = top_5_recommendation.merge(movies, how='inner', on='movieId')
    Movie_Names = Movie_Name.title.values.tolist()
    return Movie_Names

user = int(input("Enter the user id to whom you want to recommend : "))
predicted_movies = User_item_score1(user)
print(" ")
print("The Recommendations for User Id : 370")
print("   ")
for i in predicted_movies:
    print(i)

結果如下：

3.總結

基於用戶的協同過濾，流程簡述如下：

1. 採集數據 & 存儲數據
2. 加載數據
3. 數據建模（數據預處理 & 數據清洗）
4. 計算相似性（餘弦相似度、相鄰計算）
5. 得分預測（預測和最終得分計算）
6. 物品推薦

4.結束語

這篇博客就和大家分享到這裏，如果大家在研究學習的過程當中有什麼問題，可以加群進行討論或發送郵件給我，我會盡我所能為您解答，與君共勉！

另外，博主出書了《Kafka並不難學》和《Hadoop大數據挖掘從入門到進階實戰》，喜歡的朋友或同學， 可以在公告欄那裡點擊購買鏈接購買博主的書進行學習，在此感謝大家的支持。關注下面公眾號，根據提示，可免費獲取書籍的教學視頻

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Java之線性表的鏈式存儲——單鏈表

我們都知道，線性表的存儲結構分為兩種，順序存儲結構和鏈式存儲結構，線性表的分類可以參考下圖來學習記憶。今天我們主要來學習一下鏈式存儲結構。

一、鏈式存儲介紹

“鏈式存儲結構，地址可以連續也可以不連續的存儲單元存儲數據元素”——來自定義。

其實，你可以想象這樣一個場景，你想找一個人（他的名字叫小譚）,於是你首先去問 A ， A 說他不知道，但是他說 B 可能知道，並告訴了你 B 在哪裡，於是你找到 B ，B 說他不知道，但是他說 C 可能知道，並告訴了你 C 的地址，於是你去找到 C ，C 真的知道小譚在何處。

上面場景其實可以幫助我們去理解鏈表，其實每一個鏈表都包含多個節點，節點又包含兩個部分，一個是數據域（儲存節點含有的信息），一個是指針域（儲存下一個節點或者上一個節點的地址），而這個指針域就相當於你去問B，B知道C的地址，這個指針域就是存放的 C 的地址。

鏈表下面其實又細分了3種：單鏈表、雙向鏈表和循環鏈表。今天我們先講單鏈表。

二、單鏈表介紹

什麼是單鏈表呢？單鏈表就是每一個節點只有一個指針域的鏈表。如下圖所示，就是一個帶頭節點的單鏈表。下面我們需要知道什麼是頭指針，頭節點和首元節點。

頭指針：指向鏈表節點的第一個節點的指針

頭節點：指在鏈表的首元節點之前附設的一個節點

首元節點：指在鏈表中存儲第一個實際數據元素的節點（比如上圖的 a1 節點）

三、單鏈表的創建

單鏈表的創建有兩種方式，分別是頭插法和尾插法。

1、頭插法

頭插法，顧名思義就是把新元素插入到頭部的位置，每次新加的元素都作為鏈表的第一個節點。那麼頭插入法在Java中怎麼實現呢。首先我們需要定義一個節點，如下

public class ListNode {
  public int val; //數據域
  public ListNode next;//指針域
}

然後我們就創建一個頭指針（不帶頭節點）

//元素個數
int n = 5;
//創建一個頭指針
ListNode headNode = new ListNode();
//頭插入法
headNode= createHead(headNode, n);

然後創建一個私有方法去實現頭插法，這裏我們插入5個新元素，頭插入的核心是要先斷開首元節點和頭指針的連接，也就是需要先將原來首元節點的地址存放到新節點的指針域里，也就是 newNode.next = headNode.next，然後再讓頭指針指向新的節點 headNode.next = newNode，這兩步是頭插入的核心，一定要理解。

/**
 * 頭插法
 * 新的節點放在頭節點的後面，之前的就放在新節點的後面
 * @param headNode 頭指針
 * @return
 */
private static ListNode createHead(ListNode headNode, int n) {
  //插入5個新節點
  for (int i = 1; i <= n; i++) {
    ListNode newNode = new ListNode();
    newNode.val = i;
    //將之前的所有節點指向新的節點（也就是新節點指向之前的所有節點）
    newNode.next = headNode.next;
    //將頭指針指向新的節點
    headNode.next = newNode;
  }
  return headNode;
}

最後我把鏈表打印輸出一下（其實也是單鏈表的遍歷），判斷條件就是只有當指針域為空的時候才是最後一個節點。

private static void printLinkedList(ListNode headNode) {
  int countNode = 0;
  while (headNode.next != null){
    countNode++;
    System.out.println(headNode.next.val);
    headNode = headNode.next;
  }
  System.out.println("該單鏈表的節點總數：" +countNode);
}

最後的輸出結果顯然是逆序，因為沒一個新的元素都是從頭部插入的，自然第一個就是最後一個，最後一個就是第一個：

2、尾插法

尾插法，顧名思義就是把新元素插入到尾部的位置（也就是最後一個位置），每次新加的元素都作為鏈表的第最後節點。那麼尾插法在 Java 中怎麼實現呢，這裏還是採用不帶頭節點的實現方式，頭節點和頭指針和頭插入的實現方式一樣，這裏我就直接將如何實現：

/**
 * 尾插法
 * 找到鏈表的末尾結點，把新添加的數據作為末尾結點的後續結點
 * @param headNode
 */
private static ListNode createByTail(ListNode headNode, int n) {
  //讓尾指針也指向頭指針
  ListNode tailNode = headNode;
  for (int i = 1; i <= n; i++) {
    ListNode newNode = new ListNode();
    newNode.val = i;
    newNode.next = null;

    //插入到鏈表尾部
    tailNode.next = newNode;
    //指向新的尾節點，tailer永遠存儲最後一個節點的地址
    tailNode = newNode;

  }
  return headNode;
}

和頭插入不同的是，我們需要聲明一個尾指針來輔助我們實現，最開始，尾指針指向頭指針，每插入一個元素，尾指針就后移一下，這裏我們來講一下原理：每次往末尾新加一個節點，我們就需要把原來的連接斷開，那怎麼斷開呢，我們首先需要讓尾指針指向新的節點，也就是 tailNode.next = newNode; 然後再讓尾指針后移一個位置，讓尾指針指向最後一個節點。也就是尾指針始終指向最後一個節點，最後將頭指針返回，輸出最後結果：

四、單鏈表的刪除

既然單鏈表創建好了，怎麼在鏈表裡面刪除元素呢，單鏈表的刪除，我分為了兩種情況刪除，分別是刪除第i個節點和刪除指定元素的節點。

1、刪除第i個節點

我們可以先來理一下思路：在單鏈表裡，節點與節點之間都是通過指針域鏈接起來的，所以如果我們想實現刪除的操作，實際上是需要我們去改變相應指針域對應得地址的。當想去刪除第i個元素的時候，比如要刪除上圖的第3個元素（也就是3），實際上我們要做的就是要讓2號元素指向4號元素（其實就是需要修改2號元素的指針域，讓2號元素的指針域存儲4號元素）。那麼怎麼做才能實現這一步呢？很顯然，要實現這個步驟，我們必須要找到4號元素和2號元素，但是再仔細想一下，其實我們只需要找到2號元素就可以了，因為4號元素的地址存儲再2號的下一個元素的指針域裏面。

所以綜上所述分析我們可以得出刪除的兩個核心步驟：

1.刪除第i個節點，需要先找到第 i-1 個個節點，也就是第i個節點的前一個節點；

2.然後讓第 i-1 個節點指向第 i-1 個節點的下下個節點

下面的代碼具體實現了怎麼刪除第i個元素。

/**
 * 刪除第i個節點
 * 1,2 4,4,5
 * 刪除之後應該是1,2,4,5
 * @param headNode
 * @param index
 * @return
 */
public static ListNode deleteNodeByIndex(ListNode headNode, int index) {
  int count = 1;
  //將引用給它
  ListNode preNode = headNode;
  //看計數器是不是到了i-1，如果到了i-1,就找到了第i-1個節點
  while (preNode.next != null && count <= index -1){
    //尋找要刪除的當前節點的前一個節點
    count++;
    preNode = preNode.next;
  }
  if (preNode != null){
    preNode.next = preNode.next.next;
  }
  return headNode;
}

2、刪除指定元素的那個節點

刪除指定元素節點的實現方法有兩種，第一種就是先找到指定元素對應的鏈表的位置（ index ），然後再按照刪除第 i 個節點的思路刪除即可。實現方法如下圖所示：

/**
 * 刪除鏈表指定數值的節點
 * @param headNode
 * @param val
 * @return
 */
private static ListNode deleteNodeByNum(ListNode headNode, int val) {
  ListNode deleteOne = headNode;
  int countByDeleteOne = 1;
  while (deleteOne.next != null){
    if (deleteOne.next.val == val){
      deleteOne = deleteOne.next;
      break;
    }
    countByDeleteOne ++;
    deleteOne = deleteOne.next;
  }
  return deleteNodeByIndex(headNode, countByDeleteOne);
}

第二種方法的實現就很精妙（前提是此節點不是尾節點）

public void deleteNode(ListNode node) {
  //刪除node即通過將後面的值賦給node，然後更改node的指針指向下下一個結點即可
  node.val = node.next.val;
  node.next = node.next.next;
}

五、單鏈表的查詢（及修改）

單鏈表的查詢實現很簡單，就是遍歷當前單鏈表，然後用一個計數器累加到當前下標，那麼當前的這個節點就是要查詢的那個節點，然後再返回即可，當然需要判斷傳過來的這個下標是否合法。當然如果需要修改，就需要把當前找到的節點的數據域重新賦上需要修改的值即可，這裏就不上代碼了。具體實現如下：

private static ListNode searchLinkedList(ListNode headNode, int index) {
  //如果下標是不合法的下標就表示找不到
  if (index < 1 || index > getLinkedListLength(headNode)){
      return null;
  }
  for (int i = 0; i < index; i++) {
    headNode = headNode.next;
  }
  return headNode;
}

獲取單鏈表的長度（注意我這裏定義的 headNode 是頭指針不是頭節點）

/**
 * 求單鏈表長度
 * @param headNode
 * @return
 */
private static int getLinkedListLength(ListNode headNode) {
  int countNode = 0;
  while (headNode.next != null){
    countNode++;
    headNode = headNode.next;
  }
 return countNode;
}

六、小結

單鏈表的相關操作就講解完了，其實通過上面對單鏈表的相關操作，我們不難發現，單鏈表的刪除和插入其實很方便，只需要改變指針的指向就可以完成，但是查找元素的時候就比較麻煩，因為在查找的時候，需要把整個鏈表從頭到尾遍歷一次。

公眾號：良許Linux

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  （Source：）

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