数据结构之链表（1），单链表

前言

一、什么是链表

二、链表的分类

三、单链表

四、单链表的实现

五、SList.c文件完整代码

六、使用演示

总结

前言

本文讲述了什么是链表，以及实现了完整的单链表。

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一、什么是链表

1.概念

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。

简单来说，链表属于线性表的一种，在逻辑结构上是连续的，物理结构上不一定是连续的，通过指针连接。

2.节点

与顺序表不同的是，链表里的每个节点都是独立申请下来的空间，我们称之为“结点/结点”

结点的组成主要有两个部分：当前结点要保存的数据和保存下⼀个结点的地址（指针变量）。也可以说成数据域和指针域两部分

特点：链表中每个结点都是独立申请的（即需要插入数据时才去申请一块结点的空间），我们需要通过指针变量来保存下一个结点位置，才能从当前结点找到下⼀个结点。

3.链表的性质

链式结构在逻辑上是连续的，在物理结构上不⼀定连续
结点一般是从堆上申请的
从堆上申请来的空间，是按照⼀定策略分配出来的，每次申请的空间可能连续，可能不连续

4.与顺序表的对比

顺序表的中间/头部插入删除数据的时间复杂度为O(n)，而链表相同功能时间复杂度为O(1)
顺序表增容需要申请请新空间，拷贝数据，释放旧空间。会有不小的消耗。链表每次申请一个节点，不存在拷贝，释放旧空间。
顺序表增容一般是呈2倍的增长，势必会有⼀定的空间浪费。例如当前容量为100，满了以后增容到200，我们再继续插入了5个数据，后面没有数据插入了，那么就浪费了95个数据空间。链表不存在空间浪费

以上是链表相对与顺序表的优点，但不代表顺序表一定不如链表，顺序表在有些场景下效率还是非常高，因此选择使用什么数据结构是看场景的要求

二、链表的分类

链表的结构非常多样，有带头不带头，单向或者双向，循环不循环，这三种属性情况组合起来就有8种（2x2x2）链表结构：

虽然有这么多的链表的结构，但是我们实际中最常用还是两种结构：单链表和双向带头循环链表：

无头单向非循环链表（单链表）：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。另外这种结构在笔试面试中出现很多。
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该结构会带来很多优势，后面我们代码实现了就知道了。

本文主要讲述单链表

三、单链表

单链表的结构如下图：

单链表的结构声明：

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
SLTDataType data;//节点数据
struct SListNode* next;//指向下一节点的指针变量
}SLTNode;

以下单链表同样由3个文件组成：

SList.h：单链表的结构声明，各种函数声明
SList.c：用于函数的具体实现
test.c：用于测试单链表（自行测试）

四、单链表的实现

1.SList.h文件

以下是该文件中的代码：

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>//定义一个链表结构
typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{SLTDataType data;//节点数据struct SListNode* next;//指向下一节点的指针变量
}SLTNode;//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead);//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x);//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x);//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x);//在指定位置之前插入数据
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x);//在指定位置之后插入数据
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x);//删除指定位置pos的数据
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);//删除pos之后的数据
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos);//销毁链表
void SListDestroy(SLTNode** pphead);

2.SList.c文件

1.SLTPrint函数

//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{SLTNode* pcur = phead;//循环打印while (pcur){printf("%d->", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("NULL\n");
}

解析：该函数用于打印链表数据，使用一个pcur指针，只要不为空指针，就循环遍历下一个节点

2.SLTBuyNode函数

//申请节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType x)
{//申请一个节点SLTNode* node = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));if (node == NULL){perror("malloc fail!");exit(1);}//赋值node->data = x;node->next = NULL;return node;
}

解析：

该函数用于申请新节点，一个参数，其为新节点存储的数据
使用malloc函数申请，申请成功后将其数据域赋值为参数值，指针域赋值为空指针NULL
因为该函数主要为其他功能函数服务，因此只需写在 SList.c 文件中即可，无需在头文件SList.h 中声明

3.SLTPushBack函数

//尾插
//因为要修改plist本身，因此需要二级指针来接收
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{//断言pphead不能为空指针assert(pphead);//申请新节点SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//如果pphead指向的第一个节点就是空指针if (*pphead == NULL){*pphead = newnode;}else{//找尾结点SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur->next){pcur = pcur->next;}pcur->next = newnode;}
}

解析：

该函数功能为：在链表尾部插入一个数据。因此需要链表的头部指针和需要插入的数据x
为什么头节点参数是二级指针？答：因为需要修改原指针变量本身，我们知道函数传参分为传值传参和传址传参（&），想要修改原变量内容就需要传址传参，而这里原变量就是一个指向链表头节点的指针变量，因此原变量通过&传参，就需要二级指针来接收一级指针变量的地址。所以这里就是用二级指针，下面其他的函数同理。
申请完新节点，插入到链表尾部时要分2种情况，1链表为空，2链表不为空。
链表为空则直接将新节点插入链表即可，也就是将指向头结点的指针指向新节点。链表不为空就需要寻找尾结点，尾节点的特点就是next指针指向空。循环之后将尾节点的next指针修改为新节点即可。

4.SLTPushFront函数

//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{assert(pphead);//直接申请节点，然后修改新节点指向即可SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}

解析：

功能：在链表头部插入一个新节点。参数同样是一个二级指针和新节点的数据
头插比较简单，只需将新申请的节点的 next 指针指向链表头结点，然后让指向链表头结点的指针指向新节点即可。

5.SLTPopBack函数

//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);//只有一个节点的情况if ((*pphead)->next == NULL){free(*pphead);*pphead = NULL;}else{//两个及以上节点的情况//申请两个节点用于指向尾节点和倒数第二个节点SLTNode* ptail = *pphead;SLTNode* prev = NULL;while (ptail->next){prev = ptail;ptail = ptail->next;}//销毁尾结点，然后让倒数第二个节点next指向空free(ptail);ptail = NULL;prev->next = NULL;}
}

解析：

功能：删除链表的最后一个节点，参数为一个二级指针
首先断言，不能传空指针并且链表不能为空
尾删也要分两种情况，因为如果只要一个节点，那么就不需要找倒数第二个节点。所以分为链表只有一个节点的情况和有多个节点的情况
只有一个节点，那么我们直接 free 掉该节点，然后让指向头结点的指针置空。多个节点，那么我们就需要找到最后一个节点 ptail 以及倒数第二个节点 prev，使用while循环即可，只要ptail 的下一个节点为空就跳出循环，此时 prev 为倒数第二个节点，然后释放掉最后一个节点，修改倒数第二个节点的next指针即可。

6.SLTPopFront函数

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* next = (*pphead)->next;free(*pphead);*pphead = next;
}

解析：

功能：删除链表的头部节点
因为参数 *pphead 就是指向链表的头结点，因此删除简单，先创建一个next指针保存头结点的下一个节点，然后释放掉头节点，更改 *pphead 的指向即可

7.SLTFind函数

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{assert(phead);SLTNode* pcur = phead;while (pcur){//找到了if (pcur->data == x){return pcur;}pcur = pcur->next;}//没找到return NULL;
}

解析：

功能：查找数据为 x 的节点，返回该节点的地址。
因为查找操作不会影响头指针 phead，因此参数为一级指针即可
查找很简单，循环遍历链表，让 pcur 一直往后走，直到找到存储 x 的节点，返回该节点，没找到就返回空指针

8.SLTInsert函数

//在指定位置之前插入数据
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pphead);assert(pos);//如果指定位置是头结点if (*pphead == pos){//头插SLTPushFront(pphead, x);}else{//新节点SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//prev用于找到pos前一个节点SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = newnode;newnode->next = pos;}
}

解析：

功能：在指定位置之前插入数据，参数为头指针地址、指定位置（用SLTFind函数确定）、需插入的数据x。
首先断言，头指针和pos指针都不能为空，也就是链表不能为空
然后，也分两种情况，因为如果指定位置刚好是头结点，那么只需要使用头插函数即可。如果指定位置不是头结点，我们就需要找到 pos 指向的结点的前一个节点。定义一个指针变量 prev，让它从头往后找，只要它的 next 指针不是 pos，那么就继续往下个节点走，直到找到pos的前一个节点。
找到之后，让 prev 的 next 指针指向新节点，再让新节点的 next 指针指向pos就完成了在指定位置前插入数据。

7.SLTInsertAfter函数

//在指定位置之后插入数据
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//先让newnode的next指向下一个节点newnode->next = pos->next;//再修改pos的next指针pos->next = newnode;
}

解析：

功能：在指定位置之后插入数据。
因为受影响的节点只有pos指向的节点，所以只需要传pos指针和需要增加的数据 x 即可。
pos指针使用SLTFind函数指定即可
实现简单，注意顺序即可，将新节点的next指针指向pos节点的下一个节点，然后让pos指针的next指针指向新节点即可。

8.SLTErase函数

//删除指定位置pos的数据
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead && *pphead);assert(pos);//如果pos位置是第一个位置if (*pphead == pos){//头删SLTPopFront(pphead);}else{//找到pos前一个节点SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}//释放prev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}
}

解析：

功能：删除指定位置的节点。
参数需用到头节点和pos指向节点
也要分两种情况，因为如果需删除节点刚好是头结点，直接头删即可，如果不是头结点，则需要找到指定位置的前一个节点，老套路，找到之后，先修改 prev 的next指针，然后释放pos指向的节点。

9.SLTEraseAfter函数

//删除pos之后的数据
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos && pos->next);SLTNode* del = pos->next;//让pos指向它之后的之后的数据pos->next = pos->next->next;free(del);del = NULL;
}

解析：

功能：删除pos位置后一个节点
只需要pos指针即可
实现简单，先保存需删除的节点地址，然后改变pos的next指针指向，最后释放掉 del 即可。

10.SListDestroy函数

//销毁链表
void SListDestroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* pcur = *pphead;//循环销毁链表while (pcur){SLTNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}//记得将头指针指置空*pphead = NULL;
}

解析：

功能：销毁整个链表
断言确保链表不为空
创建pcur循环遍历链表，只要pcur不为空，释放该空间。
最后记得将头指针置空

五、SList.c文件完整代码

#include "SList.h"//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{SLTNode* pcur = phead;//循环打印while (pcur){printf("%d->", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("NULL\n");
}//申请节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType x)
{//申请一个节点SLTNode* node = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));if (node == NULL){perror("malloc fail!");exit(1);}//赋值node->data = x;node->next = NULL;return node;
}//尾插
//因为要修改plist本身，因此需要二级指针来接收
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{//断言pphead不能为空指针assert(pphead);//申请新节点SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//如果pphead指向的第一个节点就是空指针if (*pphead == NULL){*pphead = newnode;}else{//找尾结点SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur->next){pcur = pcur->next;}pcur->next = newnode;}
}//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{assert(pphead);//直接申请节点，然后修改新节点指向即可SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);//只有一个节点的情况if ((*pphead)->next == NULL){free(*pphead);*pphead = NULL;}else{//两个及以上节点的情况//申请两个节点用于指向尾节点和倒数第二个节点SLTNode* ptail = *pphead;SLTNode* prev = NULL;while (ptail->next){prev = ptail;ptail = ptail->next;}//销毁尾结点，然后让倒数第二个节点next指向空free(ptail);ptail = NULL;prev->next = NULL;}
}//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* next = (*pphead)->next;free(*pphead);*pphead = next;
}//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{assert(phead);SLTNode* pcur = phead;while (pcur){//找到了if (pcur->data == x){return pcur;}pcur = pcur->next;}//没找到return NULL;
}//在指定位置之前插入数据
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pphead);assert(pos);//如果指定位置是头结点if (*pphead == pos){//头插SLTPushFront(pphead, x);}else{//新节点SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//prev用于找到pos前一个节点SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = newnode;newnode->next = pos;}
}//在指定位置之后插入数据
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//先让newnode的next指向下一个节点newnode->next = pos->next;//再修改pos的next指针pos->next = newnode;
}//删除指定位置pos的数据
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead && *pphead);assert(pos);//如果pos位置是第一个位置if (*pphead == pos){//头删SLTPopFront(pphead);}else{//找到pos前一个节点SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}//释放prev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}
}//删除pos之后的数据
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos && pos->next);SLTNode* del = pos->next;//让pos指向它之后的之后的数据pos->next = pos->next->next;free(del);del = NULL;
}//销毁链表
void SListDestroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* pcur = *pphead;//循环销毁链表while (pcur){SLTNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}//记得将头指针指置空*pphead = NULL;
}

六、使用演示

不完全演示：

#include "SList.h"void SListTest1()
{//指针要初始化为空SLTNode* plist = NULL;//尾插SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTPushBack(&plist, 5);printf("尾插：");SLTPrint(plist);//头插SLTPushFront(&plist, 11);SLTPushFront(&plist, 12);SLTPushFront(&plist, 13);SLTPushFront(&plist, 14);SLTPushFront(&plist, 15);printf("头插：");SLTPrint(plist);//尾删SLTPopBack(&plist);printf("尾删：");SLTPrint(plist);//头删SLTPopFront(&plist);printf("头删：");SLTPrint(plist);//指定位置之前插入数据SLTInsert(&plist, SLTFind(plist, 2), 66);printf("在2的前面插入66：");SLTPrint(plist);//删除指定位置数据SLTErase(&plist, SLTFind(plist, 66));printf("删除66：");SLTPrint(plist);//销毁链表SListDestroy(&plist);printf("销毁：");SLTPrint(plist);
}int main()
{SListTest1();return 0;
}

运行结果：