C语言进阶——数据结构之链表

前言

hello，大家好呀，我是Humble 在之前的两篇博客，我们学完了数据结构中的顺序表，还对它进行了一个应用，做了一个通讯录的小项目

那今天我们再来学习一个新的数据结构——链表

引入

我们来回忆一下顺序表

对于顺序表，我们发现它有下面的这些问题

1.中间/头部的插入删除，时间复杂度为O(N)
2.增容需要申请新空间，拷贝数据，释放旧空间。会有不小的消耗
3.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

思考：如何解决以上问题呢？有没有以一种数据结构，它可以解决顺序表的这些问题呢？

这就是我们今天要讲的链表了

链表的概念及结构

链表在物理存储结构上是非连续、非顺序的存储的、

其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

而与顺序表不同的是，链表是由节点组成的
节点的组成主要有两个部分：

1.当前节点要保存的数据

2.保存下一个节点的地址（指针变量）

变量来保存下一个节点位置才能从当前节点找到下一个节点

结合结构体的知识，我们可以给出每个节点对应的结构体代码：

struct SListNode
{
int data; //节点数据，我们假设当前保存的节点为整型
struct SListNode* next; //指针变量⽤保存下⼀个节点的地址
};

当我们想要保存一个整型数据时，实际是向操作系统申请了一块内存，这个内存不仅要保存整型数
据，也需要保存下一个节点的地址

所以，当我们想要从第一个节点走到最后一个节点时，只需要在前一个节点拿上下一个节点的地址就可以了（有点绕，请耐心理解哦）

那么，给定的链表结构中，我们来实现一下节点从头到尾的打印吧~

我们在创建一个SList 的工程表示单链表

然后创建3个文件，分别是我们的SList.h 头文件，SList.c源文件以及测试文件test.c

（这个大家应该已经很熟悉了吧）

在三个文件中，我们分别去实现各自的职能

SList.h

#pragma oncetypedef int SLTDataType;typedef struct SListNode
{SLTDataType data;struct SListNode* next;
}SLTNode;void SLTPrint(SLTNode* phead);//打印

SList.c

#include"SList.h"void SLTPrint(SLTNode* phead)
{SLTNode* pcur = phead;while (pcur){printf("%d->", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("NULL\n");
}

test.c

#include "SList.h"void SlistTest01() {//一般我们不会这样去创建链表，这里只是为了给大家展示链表的打印SLTNode* node1 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));node1->data = 1;SLTNode* node2 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));node2->data = 2;SLTNode* node3 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));node3->data = 3;SLTNode* node4 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));node4->data = 4;node1->next = node2;node2->next = node3;node3->next = node4;node4->next = NULL;  SLTNode* plist = node1;SLTPrint(plist);  //打印1->2->3->4->NULL
}int main()
{SlistTest01();return 0;
}

我们来测试一下，按照我们的想法，应该打印1->2->3->4->NULL

运行结果：

单链表的实现

找到了链表的打印，我们就来实现链表的各个功能吧

链表的尾插

这要分两种情况来讨论

1.链表不为空

2.链表为空

先画张图来辅助理解一下：

假设我们要在链表插入元素4

下面我们来写尾插STLPushBack的代码：

void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x) //注意这里pphead是二级指针，用**
{assert(pphead);SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));newnode->data = x;newnode->next = NULL;//链表为空，新节点作为pheadif (*pphead == NULL) {*pphead = newnode;return;}//链表不为空，找尾节点SLTNode* ptail = *pphead;while ((ptail->next) ！= NULL) //遍历{ptail = ptail->next;}//遍历完之后ptail就是尾节点ptail->next = newnode; //完成尾插
}

下面我们来测试一下

我们在test.c中这样写：

void SlistTest02()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1); //我们要把plist指针的地址传过去，这个很重要！SLTPrint(plist); //预计结果1->NULL
}int main()
{SlistTest02();return 0;
}

运行一下：

当然，因为我们下面的操作都要设计申请节点，每次都要写：

SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;

我们干脆就再写一个函数，之后直接调用就行

这样代码就会变成这样

SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType x) //申请新节点
{SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));newnode->data = x;newnode->next = NULL;return newnode;}void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x) 
{assert(pphead);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//链表为空，新节点作为pheadif (*pphead == NULL) {*pphead = newnode;return;}//链表不为空，找尾节点SLTNode* ptail = *pphead;while (ptail->next){ptail = ptail->next;}//ptail就是尾节点ptail->next = newnode;
}

接下来我们来看一下头插SLTPushFront：

它同样分2种情况，但它们的代码是一样的，所以就不用分了

void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x) 
{assert(pphead);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}

测试一下：

void SlistTest02()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTPushFront(&plist, 5);          SLTPushFront(&plist, 6);        SLTPushFront(&plist, 7);SLTPrint(plist);         //期望结果为：7->6->5->1->2->3->4->NULL
}int main()
{SlistTest02();return 0;
}

运行结果如下：

接下来看一下尾部删除SLTPopBack吧~

既然要删除，我们要保证链表不为空，所以相比前面的这几种操作，它还要加上

assert(*pphead);//表示链表不能为空

此外，要分链表是否只有一个节点，即是否有前驱节点这2中情况

void SLTPopBack(SLTNode** pphead) 
{assert(pphead);assert(*pphead);//保证链表不能为空//链表只有一个节点if ((*pphead)->next == NULL) {free(*pphead);*pphead = NULL;return;}//链表有多个节点SLTNode* ptail = *pphead;SLTNode* prev = NULL;while ((ptail->next)!=NULL){prev = ptail;ptail = ptail->next;}prev->next = NULL;//销毁尾结点free(ptail);ptail = NULL;
}

我们也来测试一下：

void SlistTest02()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTPopBack(&plist);SLTPrint(plist);  //预期结果为1->2->3->NULL}int main()
{SlistTest02();return 0;
}

运行结果如下：

接下来看一下头部删除SLTPopFront吧~

这个也很简单，我们直接上代码~

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead) 
{assert(pphead);//链表不能为空assert(*pphead);//让第二个节点成为新的头//把旧的头结点释放掉SLTNode* next = (*pphead)->next;free(*pphead);*pphead = next;
}

接下来我们也是测试一下

void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);//头删SLTPopFront(&plist);SLTPrint(plist);  //2->3->4->NULLSLTPopFront(&plist);SLTPrint(plist);  //3->4->NULL
}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

运行结果：

好，我们已经实现了头部和尾部的插入和删除的操作，接下来我们来实现一下查找的操作~

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{assert(pphead);//遍历链表SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur) //等价于pcur != NULL{if (pcur->data == x) {return pcur;}pcur = pcur->next;}//没有找到return NULL;}

接下来测试一下：

void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTNode* FindRet = SLTFind(&plist,1); //1 在链表中，可以找到if (FindRet) {printf("找到了！\n");}else {printf("未找到！\n");}}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

运行结果：

接下来我们看一下在指定位置插入数据~

它分为2种，在指定位置之前插入和在指定位置之后插入数据

先看在指定位置之前插入数据吧

它要分要插入的位置是头节点和不是头节点2种情况讨论哦

实现代码如下：

//在指定位置之前插入数据void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pphead);assert(*pphead);//链表 不能为空！assert(pos);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);//pos刚好是头结点if (pos == *pphead) {//头插SLTPushFront(pphead, x);return;}//pos不是头结点的情况SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = newnode;newnode->next = pos;}

好，我们来测试一下~

void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTNode* FindRet = SLTFind(&plist,1);SLTInsert(&plist, FindRet, 100); SLTPrint(plist);//预期是100->1->2->3->4->NULL}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

运行结果：

接下来我们再看一下在指定位置之后插入数据SLTInsertAfter吧~

这个实现起来要比在指定位置之前插入要简单

我们看代码：

//在指定位置之后插入数据
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = SLTBuyNode(x);newnode->next = pos->next;  //特别注意一下这里的顺序哦~pos->next = newnode;}

写完后也测试一下：


void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTNode* FindRet = SLTFind(&plist, 1);SLTInsertAfter(FindRet, 100); SLTPrint(plist);//预期是1->100->2->3->4->NULL}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

测试一下：

那么，插入讲完了，我们接下来再看一下删除操作

分别是删除pos节点以及删除pos之后的节点

先看一下删除pos节点 的情况吧~

//删除pos节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead);assert(*pphead);assert(pos);//pos刚好是头结点，没有前驱节点，执行头删if (*pphead == pos) {//头删SLTPopFront(pphead);return;}//pos不是头结点SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}

下面来测试一下：

void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTNode* FindRet = SLTFind(&plist, 4);SLTErase(&plist, FindRet);SLTPrint(plist);//预期是1->2->3->NULL}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

运行结果：

再看一下删除pos之后的节点吧~

下面是实现的代码~

//删除pos之后的节点
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos);//pos->next不能为空assert(pos->next);SLTNode* del = pos->next;  //定义一个中间的变量用来保存pos->next = pos->next->next;free(del);del = NULL;}

下面进行测试：

void SlistTest03()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTNode* FindRet = SLTFind(&plist, 2);SLTEraseAfter(FindRet);SLTPrint(plist);//预期是1->2->4->NULL}int main()
{SlistTest03();return 0;
}

好，最后我们来看一下链表的销毁操作吧~

//销毁链表
void SListDesTroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);assert(*pphead);SLTNode* pcur = *pphead; //pur依旧是作为临时变量，用于保存~while (pcur){SLTNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}*pphead = NULL;}

关于链表的销毁，我们可以通过调试来观察，这里就不再演示了，大家可以自己测试一下~

好，到这，我们就把单链表的实现给讲完了~（鼓掌鼓掌）

好，那么这里又出现了一个新的问题，我们在这里花了这么多精力说了单链表的各种操作，那么链表究竟有多少种类呢？它与单链表又是什么关系呢？

接下来，我们就来说说链表的分类