【C语言】探索数据结构：单链表和双链表

目录

💡链表的概念和结构

💡链表的分类

💡无头单向非循环链表（单链表）的实现

 定义节点结构

单链表的尾部插入

单链表的头部插入

单链表的尾部删除

 单链表的头部删除

在指定位置插入前数据

在指定位置之后插入数据

删除结点

销毁链表

完整实现

💡带头双向循环链表的实现

 定义节点结构

创建新节点

链表的初始化 

双向链表的遍历打印

双向链表的尾插 

 双向链表的头插

 完整实现

 💡链表和顺序表（数组）的对比


💡链表的概念和结构

概念：

链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。

以单链表为例：

可以看出：

1.链式结构在逻辑上是连续的，但是在物理上不一定连续

2.现实中的节点一般都是从堆上申请出来的

3.从堆上申请的空间，是按照一定的策略来分配的，两次申请的空间可能连续，也可能不连续

💡链表的分类

虽然说有8种链表结构，但是现实中主要使用的只有两种结构：

  1. 无头单向非循环链表：结构简单，一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结
    构的子结构，如哈希桶、图的邻接表等等。
  2. 带头双向循环链表：结构最复杂，一般用在单独存储数据。实际中使用的链表数据结构，都
    是带头双向循环链表。另外这个结构虽然结构复杂，但是使用代码实现以后会发现结构会带
    来很多优势，实现反而简单了。

💡无头单向非循环链表（单链表）的实现

 定义节点结构

  • 用 typedef 重定义要保存的数据类型，方便修改，灵活处理
  • 节点之间用指针相连，每一个节点都会保存下一个节点的地址，指向下一个节点
//定义链表节点的结构
typedef int SLDataType;
typedef struct SListNode
{SLDataType data;//要保存的数据struct SListNode* next;
}SLNode;

单链表的尾部插入

这里需要注意的是，插入时可能头节点为空，要改变指针，所以要传二级指针

//尾插
void SLPushBack(SLNode** pphead, SLDataType x)
{assert(pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);if (*pphead == NULL){*pphead = node;//改变结构体指针，即指向结构体的指针return;}//说明链表不为空，找尾SLNode* pcur = *pphead;while (pcur->next){pcur = pcur->next;}pcur->next = node;//改变结构体成员，pcur->next通过指针结构体的pcur指针访问结构体的next成员
}

单链表的头部插入

//头插
void SLPushFront(SLNode** pphead, SLDataType x)
{assert(pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);//新节点跟头节点连起来node->next = *pphead;//让新的节点称为头节点*pphead = node;
}

单链表的尾部删除

删除时因为要释放空间，所以要传递二级指针

注意：

  1. 可能只有一个节点
  2. 可能有多个节点
  3. 不同情况不同处理
//尾删
void SLPopBack(SLNode** pphead)
{assert(pphead);//第一个节点不能为空assert(*pphead);//只有第一个节点的情况if ((*pphead)->next == NULL){//直接把头节点删除free(*pphead);*pphead = NULL;}else{//有多个节点的情况//找尾节点和尾节点的前一个节点SLNode* prev = NULL;SLNode* ptail = *pphead;while (ptail->next != NULL){prev = ptail;ptail = ptail->next;}//prev的指针不再指向ptail,而是指向ptail的下一个节点prev->next = ptail->next;free(ptail);//打印链表的函数里会判断是否为NULLptail = NULL;}
}

 单链表的头部删除

先保存头节点，然后将原来头节点的下一个节点变成新的头节点，最后释放掉原来的头节点

//头删
void SLPopFront(SLNode** pphead)
{assert(*pphead);assert(pphead);SLNode* del = *pphead;*pphead = (*pphead)->next;free(del);del = NULL;
}

在指定位置插入前数据

插入位置：

  1. 头部位置的插入（需要改变头节点）
  2. 非链表头部位置的插入
//在指定位置之前插入数据
void SLInsert(SLNode** pphead, SLNode* pos, SLDataType x)
{assert(pphead);//约定链表不能为空，pos也不能为空assert(pos);assert(*pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);//pos是头节点，头插if (pos == *pphead){node->next = *pphead;*pphead = node;return;}//找pos的前一个节点SLNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}// prev->node->posnode->next = pos;prev->next = node;
}

在指定位置之后插入数据

 各种情况处理方法都一样，不需要特殊处理

//在指定位置之后插入数据
void SLInsertAfter(SLNode* pos, SLDataType x)
{assert(pos);SLNode* node = SLBuyNode(x);//pos node pos->nextnode->next = pos->next;pos->next = node;return;
}

删除结点

  1.  删除头节点，需要将下一个节点设置为新的头节点
  2. 删除其他位置的节点，需要将该节点的前一个节点和后一个节点连接起来
//删除pos节点
void SLErase(SLNode** pphead, SLNode* pos)
{assert(pphead);assert(*pphead);assert(pos);//如果pos是头节点if (pos == *pphead){*pphead = (*pphead)->next;free(pos);return;}SLNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}//prev pos pos->nextprev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;
}

销毁链表

注意：先保存下一个节点的地址，再释放节点 

//销毁链表
void SLDesTroy(SLNode** pphead)
{assert(pphead);assert(*pphead);SLNode* pcur = *pphead;while (pcur->next != NULL){SLNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}*pphead = NULL;
}

完整实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"SList.h"
void SLPrint(SLNode* phead)
{//循环打印SLNode* pcur = phead;while (pcur != NULL){printf("%d->", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("NULL\n");
}
//创建的新节点
SLNode* SLBuyNode(SLDataType x) {SLNode* node = (SLNode*)malloc(sizeof(SLNode));node->data = x;node->next = NULL;return node;
}
//尾插
void SLPushBack(SLNode** pphead, SLDataType x)
{assert(pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);if (*pphead == NULL){*pphead = node;//改变结构体指针，即指向结构体的指针return;}//说明链表不为空，找尾SLNode* pcur = *pphead;while (pcur->next){pcur = pcur->next;}pcur->next = node;//改变结构体成员，pcur->next通过指针结构体的pcur指针访问结构体的next成员
}
//头插
void SLPushFront(SLNode** pphead, SLDataType x)
{assert(pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);//新节点跟头节点连起来node->next = *pphead;//让新的节点称为头节点*pphead = node;
}
//尾删
void SLPopBack(SLNode** pphead)
{assert(pphead);//第一个节点不能为空assert(*pphead);//只有第一个节点的情况if ((*pphead)->next == NULL){//直接把头节点删除free(*pphead);*pphead = NULL;}else{//有多个节点的情况//找尾节点和尾节点的前一个节点SLNode* prev = NULL;SLNode* ptail = *pphead;while (ptail->next != NULL){prev = ptail;ptail = ptail->next;}//prev的指针不再指向ptail,而是指向ptail的下一个节点prev->next = ptail->next;free(ptail);//打印链表的函数里会判断是否为NULLptail = NULL;}
}
//头删
void SLPopFront(SLNode** pphead)
{assert(*pphead);assert(pphead);SLNode* del = *pphead;*pphead = (*pphead)->next;free(del);del = NULL;
}
//查找第一个为x的节点
SLNode* SLFind(SLNode** pphead, SLDataType x)
{assert(pphead);SLNode* pcur = *pphead;while (pcur){if (pcur->data == x){return pcur;}pcur = pcur->next;}return NULL;
}
//在指定位置之前插入数据
void SLInsert(SLNode** pphead, SLNode* pos, SLDataType x)
{assert(pphead);//约定链表不能为空，pos也不能为空assert(pos);assert(*pphead);SLNode* node = SLBuyNode(x);//pos是头节点，头插if (pos == *pphead){node->next = *pphead;*pphead = node;return;}//找pos的前一个节点SLNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}// prev->node->posnode->next = pos;prev->next = node;
}
//在指定位置之后插入数据
void SLInsertAfter(SLNode* pos, SLDataType x)
{assert(pos);SLNode* node = SLBuyNode(x);//pos node pos->nextnode->next = pos->next;pos->next = node;return;
}
//删除pos节点
void SLErase(SLNode** pphead, SLNode* pos)
{assert(pphead);assert(*pphead);assert(pos);//如果pos是头节点if (pos == *pphead){*pphead = (*pphead)->next;free(pos);return;}SLNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}//prev pos pos->nextprev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;
}
//删除pos之后节点
void SLEraseAfter(SLNode* pos)
{assert(pos&&pos->next);//pos pos->next pos->next->nextSLNode* del = pos->next;pos->next = pos->next->next;free(del);del = NULL;
}
//销毁链表
void SLDesTroy(SLNode** pphead)
{assert(pphead);assert(*pphead);SLNode* pcur = *pphead;while (pcur->next != NULL){SLNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}*pphead = NULL;
}

💡带头双向循环链表的实现

带头双向循环链表是双向链表的一种特殊形式，它有以下特点：

  1. 带头：链表中有一个头节点，它不存储实际数据，只用于标识链表的起始位置。
  2. 双向：每个节点有两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。
  3. 循环：链表的最后一个节点指向头节点，形成一个循环。

 定义节点结构

// 带头双向链表
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{LTDataType _data;struct ListNode* _next;struct ListNode* _prev;
}ListNode;

创建新节点

新节点的前驱指针和后驱指针都设置为NULL

//创建新节点
ListNode* SLBuyNode(LTDataType x) {ListNode* node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));node->_data = x;node->_next = NULL;node->_prev = NULL;return node;
}

链表的初始化 

初始化主要是对链表的头--哨兵节点进行操作，它不保存具体的值（可以随便设置），它的存在可以确保链表一定不为空

//初始化
void InitList(ListNode** pHead)
{*pHead = SLBuyNode(-1);(*pHead)->_next = (*pHead);(*pHead)->_prev = (*pHead);
}

双向链表的遍历打印

由于哨兵位不起到保存数据的作用，所以在遍历打印时也会从头节点的下一个节点开始

// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* pHead)
{assert(pHead);ListNode* cur = pHead->_next;printf("哨兵位");while (cur!=pHead){printf("%d<=>", cur->_data);cur = cur->_next;}printf("\n");
}

双向链表的尾插 

由于这是一个循环链表，所以尾插实际上就是在头节点的左边插入，下面写了两种插入方法

 

// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x)
{assert(pHead);ListNode* node = SLBuyNode(x);//方法一//ListNode* tail = pHead->_prev;//tail->_next = node;//node->_prev = tail;//pHead->_prev = node;//node->_next = pHead;//方法二node->_prev = pHead->_prev;pHead->_prev->_next = node;node->_next = pHead;pHead->_prev = node;
}

 双向链表的头插

头插是在哨兵位节点和它的下一个节点之间插入

 

// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x)
{assert(pHead);ListNode* node = SLBuyNode(x);node->_next = pHead->_next;pHead->_next->_prev = node;pHead->_next = node;node->_prev = pHead;
}

 完整实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
//创建新节点
ListNode* SLBuyNode(LTDataType x) {ListNode* node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));node->_data = x;node->_next = NULL;node->_prev = NULL;return node;
}
//初始化
void InitList(ListNode** pHead)
{*pHead = SLBuyNode(-1);(*pHead)->_next = (*pHead);(*pHead)->_prev = (*pHead);
}
// 双向链表打印
void ListPrint(ListNode* pHead)
{assert(pHead);ListNode* cur = pHead->_next;printf("哨兵位");while (cur!=pHead){printf("%d<=>", cur->_data);cur = cur->_next;}printf("\n");
}
// 双向链表尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x)
{assert(pHead);ListNode* node = SLBuyNode(x);//方法一//ListNode* tail = pHead->_prev;//tail->_next = node;//node->_prev = tail;//pHead->_prev = node;//node->_next = pHead;//方法二node->_prev = pHead->_prev;pHead->_prev->_next = node;node->_next = pHead;pHead->_prev = node;
}
// 双向链表尾删
void ListPopBack(ListNode* pHead)
{assert(pHead);assert(pHead->_next != pHead);ListNode* del = pHead->_prev;ListNode* next = pHead->_prev->_prev;pHead->_prev = next;next->_next = pHead;free(del);del = NULL;
}
// 双向链表头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x)
{assert(pHead);ListNode* node = SLBuyNode(x);node->_next = pHead->_next;pHead->_next->_prev = node;pHead->_next = node;node->_prev = pHead;
}
// 双向链表头删
void ListPopFront(ListNode* pHead)
{assert(pHead);assert(pHead->_next != pHead);ListNode* del = pHead->_next;ListNode* next = del->_next;pHead->_next = next;next->_prev = pHead;free(del);del = NULL;
}
// 双向链表查找
ListNode* ListFind(ListNode* pHead, LTDataType x)
{assert(pHead);ListNode* cur = pHead->_next;while (cur != pHead){if (cur->_data == x){return cur;}cur = cur->_next;}return NULL;
}
// 双向链表在pos的前面进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);ListNode* node = SLBuyNode(x);ListNode* prev = pos->_prev;prev->_next = node;node->_prev = prev;node->_next = pos;pos->_prev = node;
}
// 双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos)
{assert(pos);ListNode* del = pos;ListNode* prev = pos->_prev;prev->_next = pos->_next;pos->_next->_prev = prev;free(del);del = NULL;
}
void ListDestory(ListNode* pHead)
{ListNode* cur = pHead->next;while (cur != pHead){ListNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}free(pHead);
}

 💡链表和顺序表（数组）的对比

不同点顺序表链表
存储空间上物理上一定连续逻辑上连续，但物理上不一定连续 
随机访问支持O(1)不支持：O(N)
任意位置插入或者删除元素可能需要移动元素，效率低，O(N)只需修改指针指向
插入动态顺序表，空间不够时需要 扩容没有容量的概念
应用场景元素高效存储+频繁访问任意位置插入和删除频繁
缓存利用率高低

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