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在实际项目里，单链表是结构最简单、也最容易写错的链式存储结构。单链表通过一组地址不连续的节点存储数据，每个节点除了保存元素本身，还保存指向下一个节点的引用，从而把离散的内存单元串成一条逻辑上连续的线性表。学习数据结构时，单链表往往是第一个要求同时理解指针（或引用）、内存分配和边界判断的数据结构；在课程实验、面试手写代码、底层系统内部实现以及高级语言标准库的节点类设计里，单链表的思想都反复出现。

这篇文章从顺序表的问题出发，逐步推导出单链表节点、头节点、插入和删除的设计逻辑，再给出一份基于 Java 的最小可运行实现，包含插入、删除、查找、遍历、逆置等核心方法，并补充运行验证、边界测试、常见问题排查和工程化建议。学完以后，既能手写单链表，也能在真实项目中判断何时该用它、哪些地方最容易出错。

1. 先理解单链表为什么存在

1.1 顺序表的连续存储问题

顺序表的典型实现是数组，在 Java 里对应ArrayList。顺序表要求元素存储在一块连续的内存空间中，通过下标可以直接定位元素，所以随机访问是 O(1) 的。但连续存储也带来了一个明显问题：在中间插入或删除元素时，必须移动大量后续元素。

假设要在长度为 n 的顺序表头部插入一个元素，要把原来的 n 个元素全部向后移动一格，再写入新元素；删除头部元素同理，需要把后面的 n-1 个元素整体前移。也就是说，顺序表在头部或任意位置插入、删除的平均时间复杂度是 O(n)。如果程序的主要操作是频繁在中间插入删除，顺序表就会把大量时间花在内存拷贝上。

单链表的思路是换一种存储方式：不要求节点在内存中连续，只要求每个节点记录下一个节点的地址。插入新节点时，只需要修改相邻两个节点之间的引用，不需要搬动任何数据。这样做换来了 O(1) 的局部插入复杂度，前提是已经找到插入位置的前驱节点；代价是按下标访问某个元素时，必须从头开始逐个遍历，随机访问变成 O(n)。

单链表并不是比顺序表更高级，而是用牺牲随机访问来换取增删灵活性。选型时不能只看“时间复杂度”三个字母，要看具体业务是更依赖随机访问，还是更依赖频繁增删。

1.2 单链表节点：数据域加指针域

单链表的节点由两部分组成：

• 数据域：保存真正的业务值。
• 指针域：保存下一个节点的引用，Java 中称为引用，C 语言中称为指针。

从头节点出发，通过每个节点的 next 引用不断向后访问，就能遍历整条链表。链表结构可以用下面的示意图表示：

head -> [10 | next] -> [20 | next] -> [30 | null]

最后一个节点的 next 为空，表示链表结束。因为这种结构只能从头部向尾部单向移动，不能回头，所以叫单链表。

C 语言定义节点时，使用结构体和指针：

struct Node { int data; struct Node *next; };

在 Java 中，引用本身也是一种“安全指针”，节点类可以这样设计：

public class ListNode<T> { public T value; public ListNode<T> next; public ListNode(T value) { this(value, null); } public ListNode(T value, ListNode<T> next) { this.value = value; this.next = next; } }

这里把value和next简单设为 public，是为了让示例代码更直观。真实项目中通常会把字段设为 private，通过方法访问，避免外部直接改写链表结构。

1.3 头节点、头指针和首元节点的区别

在学习单链表时，有三个名字容易混淆：头指针、头节点、首元节点。

• 头指针：指向链表第一个节点的指针变量。以“链表对象”这个维度看，它代表整张链表。
• 头节点：紧跟在头指针后的一个附加节点，数据域一般不用来存有效数据。
• 首元节点：真正存储第一个有效数据的节点。

带头节点和带头指针的写法有本质区别。带头节点时，头节点的 next 才指向首元节点；空链表的判断条件是head.next == null。不带头节点时，head 本身就直接指向首元节点；空链表时 head 为 null。

带头节点最大的好处是统一了插入和删除逻辑。删除首元节点时，可以把 head 当作首元节点的前驱，执行head.next = head.next.next，而不需要判断“要删除的是不是第一个节点”，也不需要修改 head 指针本身。本文下面的实现采用带头节点的写法，这也是课程实验和工程代码中更常见的风格。

2. 环境准备与接口设计

2.1 开发环境与前置知识

本文示例使用 Java 8 以上版本，利用泛型演示单链表如何存储任意类型。开发环境可以是 IntelliJ IDEA、Eclipse，也可以直接用文本编辑器加javac命令编译运行。

如果读者正在学习 C 语言，可以把 Java 类中的节点替换成struct Node，把对象引用替换成指针。Java 和 C 在单链表上的核心逻辑完全一致：遍历靠 next，修改连接靠重新赋值 next。区别主要在于 Java 不需要手动释放节点内存，而 C 语言删除节点后需要手动free。

学习环境只要能把代码编译运行、打印结果即可。生产环境还需要考虑包管理、单元测试、代码规范和调用方是否会直接操作内部节点。

2.2 项目文件结构

为了便于演示，代码拆成三个文件：

src/main/java/com/company/ds/ ListNode.java SingleLinkedList.java SingleLinkedListDemo.java

• ListNode：节点定义。
• SingleLinkedList：单链表核心实现。
• SingleLinkedListDemo：测试入口，用来验证功能。

实际项目中，ListNode可以设计成SingleLinkedList的私有内部类，避免对外暴露节点细节。这里单独成类是为了阅读方便。

2.3 核心方法一览

在动手写代码前，先明确单链表需要提供的操作：

addLast是 O(n) 是因为当前实现只有head指针。如果程序需要频繁在尾部追加元素，可以在类里额外维护一个tail指针，让尾部插入变成 O(1)。但删除尾节点时仍然需要找到倒数第二个节点，所以不能期望所有操作都通过加尾指针变成 O(1)。

2.4 节点类定义

ListNode是最基础的定义：

public class ListNode<T> { public T value; public ListNode<T> next; public ListNode(T value) { this(value, null); } public ListNode(T value, ListNode<T> next) { this.value = value; this.next = next; } }

next是串联整条链表的关键。创建新节点时，可以让构造器一次性完成“保存数据 + 指定后继节点”的操作，例如new ListNode<>(value, prev.next)，这样代码更紧凑。

3. 核心操作实现与设计理由

3.1 链表骨架、头节点与 size 字段

SingleLinkedList类有两个核心属性：head和size。head永远指向头节点，size记录有效元素个数。

维护size有什么价值？如果没有size，每次计算链表长度都要从头遍历，时间复杂度是 O(n)。这会影响两层需求：一是size()方法本身变慢，二是在add(int index)和remove(int index)做边界检查时，需要遍历才能知道链表长度，代码会复杂很多。维护size后，这两个操作都能在 O(1) 时间内判断参数是否越界。

public class SingleLinkedList<T> { private final ListNode<T> head; private int size; public SingleLinkedList() { head = new ListNode<>(null); size = 0; } public int size() { return size; } public boolean isEmpty() { return size == 0; } }

注意head使用了final。带头节点的写法中，head本身不需要被替换，只修改head.next即可。把head设为 final 能避免代码里误把head重新赋值成其他节点。

3.2 插入：先连后继，再改前驱

向单链表的第index个位置插入节点，本质上是在下标为index - 1的节点后面挂一个新节点。从这个角度看，“插入到第 0 个位置”等价于“在头节点后面插入”，所以头节点让首元节点插入变得和普通位置插入完全一致。

实现代码：

public void add(int index, T value) { if (index < 0 || index > size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> prev = head; for (int i = 0; i < index; i++) { prev = prev.next; } ListNode<T> newNode = new ListNode<>(value, prev.next); prev.next = newNode; size++; }

循环结束后，prev就是插入位置的前驱节点。new ListNode<>(value, prev.next)这一步有两个作用：

1. 新节点的 value 保存业务数据。
2. 新节点的 next 指向原来的后继节点，避免链表从插入点断开。

最后再执行prev.next = newNode，让前驱节点指向新节点，插入完成。

很多人第一次写时会写成相反顺序：

prev.next = newNode; newNode.next = prev.next;

这个错误很隐蔽。执行第一句后，prev.next已经变成newNode，第二句再取prev.next得到的也是newNode，结果就是newNode.next = newNode，新节点指向了自己。这种情况在显示链表时会出现死循环或链表只剩部分节点。正确做法是：新节点先指向旧后继，前驱再指向新节点。

addFirst和addLast可以复用add：

public void addFirst(T value) { add(0, value); } public void addLast(T value) { add(size, value); }

addLast会从 head 开始走 size 步，时间复杂度是 O(n)。如果程序需要反复在尾部追加数据，建议额外维护tail指针。但维护tail后，删除尾节点仍需要从头找前驱，所以单链表在“同时要求头尾高效插入删除”时，不如双向链表方便。

3.3 删除：通过前驱节点绕过目标节点

删除下标为index的节点，也需要先找到它的前驱节点。找到后，让前驱的 next 指向被删节点的下一个节点，目标节点就从链表中被“跳过”了。

public T remove(int index) { if (index < 0 || index >= size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> prev = head; for (int i = 0; i < index; i++) { prev = prev.next; } ListNode<T> deleted = prev.next; prev.next = deleted.next; deleted.next = null; size--; return deleted.value; }

删除后把deleted.next置为 null，是一个值得养成的习惯。Java 的垃圾回收器会从 GC Root 出发标记可达对象，被删除的节点如果还持有对后续节点的引用，虽然不会影响正确性，但会让“删除后应该不可达的对象”仍然通过旧引用保持关联。置空 next 可以在一定程度上帮助 GC 识别。

按值删除的逻辑类似，只是需要遍历链表找到第一个值和目标值相等的节点：

public boolean removeValue(T value) { ListNode<T> prev = head; while (prev.next != null) { if (value == null ? prev.next.value == null : value.equals(prev.next.value)) { ListNode<T> deleted = prev.next; prev.next = deleted.next; deleted.next = null; size--; return true; } prev = prev.next; } return false; }

这里没有直接写value.equals(prev.next.value)，是因为如果value传入的是 null，调用equals会触发空指针异常。使用三目表达式后，允许调用方删除 null 值。实际业务中，更建议避免向链表中插入 null，这样查找和删除逻辑都可以简化。但作为通用数据结构实现，需要兼顾这种边界。

3.4 查找和遍历：从 head.next 开始

按下标获取元素：

public T get(int index) { if (index < 0 || index >= size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> cur = head.next; for (int i = 0; i < index; i++) { cur = cur.next; } return cur.value; }

遍历时要从head.next开始，而不是head开始。如果从 head 开始，会读到头节点中的 null 数据，而且后续所有节点下标都会偏移一位。

查找元素下标时，需要用equals而不是==。==对引用类型来说比较的是内存地址，两个内容相同的字符串或封装对象用==比较通常为 false；Integer在 -128 到 127 范围内有缓存，小整数可能碰巧相等，超出缓存范围就会表现不一致，这是典型的隐蔽问题。

public int indexOf(T value) { int index = 0; ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { if (value == null ? cur.value == null : value.equals(cur.value)) { return index; } cur = cur.next; index++; } return -1; }

打印链表时同样从首元节点开始：

public void display() { StringBuilder sb = new StringBuilder("["); ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { sb.append(cur.value); if (cur.next != null) { sb.append(", "); } cur = cur.next; } sb.append("]"); System.out.println(sb); }

遍历的判断条件cur != null意味着当前节点存在，可以安全访问当前节点的 value。如果使用cur.next != null，会在访问最后一个节点时提前终止，遗漏尾部数据。

3.5 单链表逆置：迭代法

链表逆置是高频面试题，也是检验是否理解引用修改的经典练习。迭代法调整每个节点的 next 方向，让链表从“从前往后指”变成“从后往前指”，最后再把头节点指向新的首元节点。

public void reverse() { ListNode<T> prev = null; ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { ListNode<T> nextTmp = cur.next; cur.next = prev; prev = cur; cur = nextTmp; } head.next = prev; }

解释几个关键变量的作用：

• cur是当前正在处理的节点。
• nextTmp保存当前节点的旧后继，因为修改cur.next后，再想通过cur.next走到下一个节点已经不可能。
• prev是已经逆置完成的部分链表的头节点。
• 循环结束时，prev指向原链表的最后一个节点，也就是逆置后的首元节点，所以让head.next = prev。

如果漏写nextTmp，或者把三个临时变量赋值顺序写错，链表很容易成环。调用reverse()后如果display()不停打印，基本可以断定链表成环了。

3.6 完整实现代码

把上面方法合并到一起，得到一份可运行的SingleLinkedList类：

public class SingleLinkedList<T> { private final ListNode<T> head; private int size; public SingleLinkedList() { head = new ListNode<>(null); size = 0; } public int size() { return size; } public boolean isEmpty() { return size == 0; } public void addFirst(T value) { add(0, value); } public void addLast(T value) { add(size, value); } public void add(int index, T value) { if (index < 0 || index > size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> prev = head; for (int i = 0; i < index; i++) { prev = prev.next; } ListNode<T> newNode = new ListNode<>(value, prev.next); prev.next = newNode; size++; } public T get(int index) { if (index < 0 || index >= size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> cur = head.next; for (int i = 0; i < index; i++) { cur = cur.next; } return cur.value; } public int indexOf(T value) { int index = 0; ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { if (value == null ? cur.value == null : value.equals(cur.value)) { return index; } cur = cur.next; index++; } return -1; } public boolean contains(T value) { return indexOf(value) >= 0; } public T remove(int index) { if (index < 0 || index >= size) { throw new IndexOutOfBoundsException("index=" + index + ", size=" + size); } ListNode<T> prev = head; for (int i = 0; i < index; i++) { prev = prev.next; } ListNode<T> deleted = prev.next; prev.next = deleted.next; deleted.next = null; size--; return deleted.value; } public boolean removeValue(T value) { ListNode<T> prev = head; while (prev.next != null) { if (value == null ? prev.next.value == null : value.equals(prev.next.value)) { ListNode<T> deleted = prev.next; prev.next = deleted.next; deleted.next = null; size--; return true; } prev = prev.next; } return false; } public void clear() { ListNode<T> cur = head.next; head.next = null; while (cur != null) { ListNode<T> next = cur.next; cur.next = null; cur = next; } size = 0; } public void reverse() { ListNode<T> prev = null; ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { ListNode<T> nextTmp = cur.next; cur.next = prev; prev = cur; cur = nextTmp; } head.next = prev; } public boolean hasLoop() { ListNode<T> slow = head.next; ListNode<T> fast = head.next; while (fast != null && fast.next != null) { slow = slow.next; fast = fast.next.next; if (slow == fast) { return true; } } return false; } public void display() { StringBuilder sb = new StringBuilder("["); ListNode<T> cur = head.next; while (cur != null) { sb.append(cur.value); if (cur.next != null) { sb.append(", "); } cur = cur.next; } sb.append("]"); System.out.println(sb); } }

hasLoop方法用快慢指针判断链表是否成环。快指针每次走两步，慢指针每次走一步，如果链表有环，两者最终会相遇。这个方法在调试 reverse、add 等操作后非常实用，因为链表一旦成环，display()会陷入死循环，此时先调用hasLoop()可以快速定位问题。

4. 运行验证与结果解析

4.1 测试场景设计

写一个SingleLinkedListDemo类，覆盖头部插入、尾部插入、中间插入、按值删除、查找、反转等核心操作：

public class SingleLinkedListDemo { public static void main(String[] args) { SingleLinkedList<Integer> list = new SingleLinkedList<>(); list.addLast(10); list.addLast(20); list.addLast(30); list.addFirst(5); list.add(2, 15); list.display(); System.out.println("size = " + list.size()); System.out.println("contains 20 = " + list.contains(20)); System.out.println("indexOf 15 = " + list.indexOf(15)); System.out.println("remove 20 = " + list.removeValue(20)); list.display(); list.reverse(); System.out.println("after reverse:"); list.display(); } }

这个测试用例故意把元素顺序打乱，模拟常见操作路径：

• 先 append 10、20、30，链表是[10, 20, 30]。
• 再 addFirst(5)，链表是[5, 10, 20, 30]。
• 再 add(2, 15)，下标 2 的位置插入 15，链表是[5, 10, 15, 20, 30]。
• 删除 20 后，链表是[5, 10, 15, 30]。
• 反转后，链表是[30, 15, 10, 5]。

4.2 预期输出

编译运行后，控制台输出如下：

[5, 10, 15, 20, 30] size = 5 contains 20 = true indexOf 15 = 2 remove 20 = true [5, 10, 15, 30] after reverse: [30, 15, 10, 5]

如果输出和预期一致，说明链表的基本增删改查、遍历和反转逻辑没有原则性问题。但一次通过不代表代码没有边界问题，还需要看边界用例。

4.3 边界条件与回归用例

单链表最容易漏测的几种情况是空链表、单节点链表、头部插入删除、尾部插入删除、下标越界和查找不存在的元素。建议把这些场景整理成固定的回归用例：

边界测试是数据结构代码质量的分水岭。很多代码在普通用例上正常，一旦传入空链表、越界下标或单个节点的链表，就会出现空指针、越界异常或死循环。

5. 常见问题与排查路径

5.1 插入后链表断裂或成环

现象：调用display()时只打印出前半段，或者程序一直运行不结束。最常见原因是插入时 next 指向顺序写反：

// 错误写法 prev.next = newNode; newNode.next = prev.next;

第二行执行时，prev.next已经是newNode，所以newNode.next指向自己。这时链表成环，任何遍历都不会结束。

排查方式：先在测试数据很小的情况下运行，比如只有两三个节点；或者调用hasLoop()判断是否有环。修复思路是调整插入顺序：先让新节点指向旧后继，再让前驱指向新节点。检查代码时优先看new ListNode<>(value, prev.next)和prev.next = newNode的顺序。

5.2 出现空指针异常

现象：遍历链表、查找元素、打印链表时抛出NullPointerException。多数原因是遍历条件写错。

while (cur.next != null) { System.out.println(cur.next.value); cur = cur.next; }

这个写法在cur为 null 时，第一行就会空指针。即使cur不为 null，如果本意是打印当前节点，拿到的也会一直比预期晚一个节点。

到底用cur != null还是cur.next != null，取决于目标：

• 如果要访问当前节点的 value，用cur != null。
• 如果要判断“当前节点的下一个节点是否存在”，用cur.next != null。

排查时先打印cur或cur.value，确认遍历到哪个位置出问题，再对照循环条件修正。

5.3 删除后 size 与实际不一致

现象：isEmpty()判断错误，或者add(index)明明链表有元素却报越界。通常是因为 add 里写了size++，remove 里忘了size--，或者 clear 后没有把 size 清 0。

排查方式：在display()后打印size()，目测两者是否一致。最好在单元测试里覆盖“连续插入 3 个再删除 3 个”的场景，删除结束后断言isEmpty()为 true。

维护 size 的类必须保证所有修改链表结构的入口都同步更新 size。这类问题不需要高级调试工具，靠边界测试就能抓出来。

5.4 equals 与 == 混用导致查找失败

现象：contains(128)返回 false，但链表里明明有 128；contains(100)又返回 true。这就是Integer缓存导致的典型问题。直接用==比较两个 Integer，值在 -128 到 127 之间时可能命中缓存而相等，超过范围后比较的是引用地址，结果不确定。

修复方式统一使用equals。如果链表保存自定义对象，还需要确保该对象正确重写equals方法。否则两个字段完全相同的对象，equals仍可能返回 false。

5.5 链表成环的检测思路

除了reverse和插入写错会导致环，调试时也可能因为查看引用关系而意外构造出环。环的危害是让所有依赖 null 作为终止条件的操作失效，所以hasLoop()应该是链表类里的常备方法。

快慢指针实现已经在完整代码中提供。使用顺序是：先调用hasLoop()，确认无环后再执行display()。如果hasLoop()返回 true，优先检查所有修改 next 的操作，尤其是 reverse 和 add 方法。

下面是单链表排错速查表：

6. 从练习到实战：选型与最佳实践

6.1 什么场景才适合用单链表

单链表的优势是局部插入删除快，不需要搬动大块数据。适合用单链表的场景包括：

• 实现队列、栈等受限线性结构，尤其是需要频繁在头部操作的场景。
• 实现 LRU 缓存，链表方便把命中的节点移动到头部。
• 内存池的空闲块管理，通过指针把不连续的空闲内存串起来。
• 面试题、算法题、数据结构课程实验。

不适合用单链表的场景是频繁按下标随机访问。比如一个业务页面要反复执行get(index)，单链表的 O(n) 访问成本会拖慢整体性能。Java 工程里，90% 的 CRUD 场景直接用ArrayList更合适，因为数组连续性带来的缓存命中率远高于链表节点访问。

当需要双向遍历时，单链表也明显不够用，此时应该考虑双向链表或 Java 自带的LinkedList。LinkedList内部是双向链表结构，理解单链表可以帮助理解它的节点设计、头尾指针和插入删除逻辑，但不能直接把单链表当作生产环境的高性能容器。

6.2 生产环境使用单链表前要确认的事

把单链表从课程练习搬到真实项目之前，至少要确认下面几件事：

第一，不要对外暴露内部节点。ListNode应该作为链表类的私有内部类，外部调用方只能通过add、remove、get等方法来操作，不能拿到next引用自行修改链表结构。否则一旦外部把两个节点相互连接，链表会随时成环。

第二，明确线程安全需求。单链表在没有外部加锁的情况下不是线程安全的。多个线程同时调用add或remove，可能破坏 next 引用关系。生产环境可以选择加synchronized或ReentrantLock，也可以改用并发容器，比如ConcurrentLinkedDeque。这里需要注意的是，标准并发容器并不等于“拿单链表改造一下就能用”，并发场景必须先选对容器，再决定是否需要自定义链表。

第三，评估节点内存开销。每个节点除了保存 value，还要保存一个 next 引用。如果链表中存储的是大量很小对象，比如 Integer 或短字符串，额外的引用开销会非常明显。对于海量数据，数组或 ArrayList 通常内存更紧凑。

第四，长链表遍历会慢。链表节点在内存中不连续，遍历时 CPU 缓存命中率低。尽量避免在循环内对链表调用indexOf或contains，否则一次嵌套就可能把复杂度放大成 O(n^2)。

6.3 单链表实现检查清单

写完一个单链表类之后，可以用下面的清单做自检：

• 头节点是否固定存在，head是否永远指向头节点而不是首元节点。
• 遍历是否从head.next开始，避免把头节点的空数据处理成业务数据。
• 插入时是否先让新节点指向后继，再修改前驱节点的 next。
• 删除时是否把被删除节点的 next 置为 null，帮助 GC 识别。
• size是否与链表真实长度一致，每次增删都同步更新。
• 是否处理了下标边界：add允许index == size，remove和get不允许index == size。
• 查找方法是否使用equals而不是==，并且对空值做了保护。
• 是否测试了空链表、单节点链表、头部插入删除、尾部插入删除、中间插入删除、反转等场景。
• 是否包含hasLoop或至少成环后能快速定位问题。
• 是否把节点类型设计成内部类，避免外部直接操作 next。

这份清单同时适用于代码审查。别人提交一个链表实现时，按这些点逐项检查，大部分常见问题都能在 review 阶段发现。

6.4 扩展方向

单链表学完之后，可以继续做几个经典练习，难度逐渐增加：

• 递归版链表反转。迭代法用三个变量循环，递归版则利用函数调用栈保存后继，能帮助理解递归过程。
• 合并两个升序单链表。思路是创建一个新头节点作为占位节点，两个指针分别指向两条链表，每次取较小值挂到新链表尾部。新头节点和本文头节点作用完全一致，都是为了统一边界逻辑。
• 删除链表倒数第 K 个节点。通常用双指针，先让一个指针走 K 步，再让两个指针同步前进。
• 判断链表是否有环，并找出入环点。
• 把单链表改造成双向链表或循环链表，比较实现复杂度变化。
• 用链表实现 LRU 缓存，结合哈希表把查找降到 O(1)。

单链表看起来代码量不大，但它把“引用修改”“边界判断”“空指针防治”这几个基础功都压缩在几百行代码里。把这组操作真正写明白，后面看双向链表、跳表、并发队列时会顺畅很多。