带你玩转数据结构-单链表(适合初学者的文章,讲解的很仔细哦)

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前言:

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🍉本篇简介:>:讲解数据结构中链表的知识,;链表的分类,c语言实现单链表常见接口等.
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目录

  • 前言:
  • 一、链表介绍
    • 1.1 链表结构图:
    • 1.2 链表分类(图解分析)
  • 二、单链表实现:
    • 2.1 链表的"结点"声明:
    • 2.2 "插入"元素操作.
      • 单链表的"尾插":
      • 单链表的"头插"
      • 指定位置之后"插入"新节点
      • "申请新节点"函数
    • 2.3 "删除"元素操作.
      • 单链表的"尾删"
      • 单链表的"头删":
      • 单链表的"删除"指定的目标结点
    • 2.4 "查找"目标结点函数
    • 2.5 单链表的"打印"
    • 2.6 单链表的"销毁"
    • 总结:"链表"与"顺序表"的区别
  • 三、总代码
    • 测试区(test.c)
    • 接口实现区(SList.c)
    • 函数声明区(SList.h)

一、链表介绍

顺序表缺点：

  1. 中间/头部的插入删除，时间复杂度为O(N),因为需要移动数据.
  2. 增容需要申请新空间，特别是异地扩容,拷贝数据，释放旧空间。消耗不小。
  3. 增容不是一次增容到位,而是每次增容后判断是否符合要求，并且增容一般是2倍增容,一次次扩容消耗太大.
  4. 除此之外,还可能有一定的空间浪费。
    例如:当前容量为200，如果有201个待插入数据,势必要增容到400(原来容量的两倍),这样就浪费了199个空间.

我们不妨来看一下链表的存储结构.

链表的概念:
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.也是属于线性表的一种.

🌰栗子
单链表的结点声明:

typedef int DateType;
typedef struct SListN0de
{DateType Date;//数据域struct SListN0de* next;//指针域
}SLTNode;

结点:

1.1 链表结构图:

在这里插入图片描述

通过上图我们不难知道:

  1. 链表在逻辑上是连续的(next指针,指向下一个结点,链接在一起),而物理上可能连续,也可能不连续.
  2. 链表是由一个个结点链接在一起组成的,每个结点其实是malloc在堆区上申请的,所以地址可能连续,也可能不连续.

1.2 链表分类(图解分析)

共有八种链表,我们主要学习不带头单向链表与带头双向链表,学会这两种,其它的大同小异,写起来并不苦难.
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单向、双向:

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不带头、带头:
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带头与不带头的区别在于:
带头:链表是通过一个特殊的结点—头结点指向链表的第一个有效结点.
不带头:通过结点指针指向链表的第一个有效结点.

头结点作用:传送门

不须换、循环:
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重点掌握:

  1. 无头单向非循环链表(本篇重点)：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,因为单链表不能回头,可以考察的地方很多.
  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。这种结构的链表虽然结构复杂,但是优势也很明显,并且实现起来反而很简单.后续跟着学到了就可以理解了.

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二、单链表实现:

2.1 链表的"结点"声明:

typedef int DateType;
typedef struct SListN0de
{DateType Date;//数据域struct SListN0de* next;//指针域
}SLTNode;

单链表初始化:
单链表是不需要初始化操作的,只需要创建一个结点指针就行.初始状态:指针指向NULL.

头指针:

SLTNode* plist=NULL;

2.2 "插入"元素操作.

我们需要插入数据时,只需要申请一个结点,将数据放入结点,然后将结点链接起来就行.

单链表的"尾插":

单链表的尾插步骤:

  1. 找尾:
    由于单链表的结点之间不一定是连续存储的,不支持向顺序表那样的随机访问,需要通过遍历才能找到目标结点.
  2. 将最后一个结点的next指向新节点.

图解:
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那如果链表本身就是空链表呢?
此时需要修改头指针,将头指针指向这个新节点.

注意:

  1. 需要传二级指针:
    这点很重要,因为需要修改头指针,而头指针的类型是:SLTNode*,相信友友们学到这里应该知道,如果想要在函数中形参的改变影响实参,则需要传址调用,通过地址来影响实参.
    那么,指针的地址是?二级指针相信友友们应该没有忘记.😂😂😂

  2. 断言,这里需要灵活断言.

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"尾插"函数声明:

void PushBack(SLTNode** pphead, DateType x)

pphead需要断言:
pphead是指向 *pphead(一级指针/头指针)的指针,即值存储的是头指针的地址,只要头指针存在,则不为空.而头指针一定存在.

*phead不能断言:
*phead是头指针,头指针在链表为空时,头指针的值是NULL,所以不能断言.
链表中有数据时,指向第一个结点,值是第一个结点的地址.

  1. 头指针是很重要的一个指针,我们都是通过头指针找到链表的,所以,除了头插需要修改头指针以外,其他插入都不能修改头指针,所以我们需要创建一个临时指针:SLTNode*tail = *pphead代替头指针找尾.

代码:

void PushBack(SLTNode** pphead, DateType x)
{assert(pphead);//如果头指针的地址为NULL,则报错.SLTNode*tail = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历SLTNode* newnode = BuyNode(x);//*pphead代表代表头指针,phead表示头指针的地址//如果*pphead指向NULL,说明为空链表if (*pphead == NULL){//这里可以使用tail代替*phead吗?//不能,因为这里要改变的是,头结点的指针,需要用二级指针(解引用)来改变*pphead = newnode;//空链表是将头指针指向新节点}else{//找尾巴,画图解析//这里可以使用tail,是因为,要改变的是结构体的内容,只需要用结构体指针(解引用)就行while ( tail->next != NULL)//如果该节点的下一个节点是空指针则停止循环{tail = tail->next;}tail->next = newnode;//让尾节点的next指向新节点.}
}

单链表的"头插"

尾插是不是显得有些麻烦?那我们试着看一下头插.

头插步骤:

  1. 创建一个新节点.
  2. 将新节点指向头指针指向的结点.
  3. 更新头指针(头指针指向新节点)

图解:
在这里插入图片描述
代码实现:

//写法1
void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuyNode(x);//下面两句的顺序不能变newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}

写法2:

//写法2
void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuyNode(x);SLTNode* phead = *pphead;//创建一个临时指针,保存一下头指针指向的头结点.//顺序随便改*pphead = newnode;newnode->next = phead;
}

两种方法都比较好理解,也很简单,单链表的头插效率很高,不需要遍历,

指定位置之后"插入"新节点

该函数很简单,只需要通过查找目标结点函数找到目标结点的位置,然后将将新节点链接上去就行了.

步骤:

  1. 将新节点的指针域(next)指向指定结点的下一个结点.
  2. 将指定位置的结点的指针域(next)指向新节点,

图解:
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//使用此函数之前可以先使用,查找目标结点函数(SListFind),找到位置先
void SLTInsertBack( SLTNode* pos, DateType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = BuyNode(x);newnode->next = pos->next;pos->next = newnode;
}

"申请新节点"函数

新节点都是使用malloc函数动态申请的.函数实现很简单,相信聪明的友友们可以理解,牛牛就不过介绍了.

SLTNode* BuyNode(DateType x)//创建新结点
{SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));assert(newnode);//防止申请结点失败newnode->Date = x;newnode->next = NULL;return newnode;
}

2.3 "删除"元素操作.

因为链表的结点都是动态申请的,所以链表的删除操作需要将目标结点释放,同时为了保护原有的链表结构,需要将受目标结点的其他结点也灵活修改.

单链表的"尾删"

"删除结点"步骤:

  1. 处理特殊情况,如果头指针指向NULL,空链表不能执行删除操作.
  2. 找倒数第二个结点,方法:tail->next->next != NULL因为最后一个结点的next=NULL;
    数据结构记得多画图哦,有助于我们理解.
  3. 先释放尾结点(tail->next),再将倒数第二个结点的next置空NULL
  4. 处理特殊情况:如果链表就只有一个结点,就不存在倒数第二个结点,此时直接释放头结点,并将头结点置空.

图解:
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//尾删
void PopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作SLTNode* tail = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历if (tail->next == NULL) {free(tail);tail= NULL;}else {while (tail->next->next != NULL){tail = tail->next;}free(tail->next);tail->next = NULL;}}

单链表的"头删":

同样,单链表的"头删"也是很简单的操作.
步骤:

  1. 将头结点记录一下.
  2. 将头指针指向第二个结点.
  3. 释放头结点.
void PopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作SLTNode* head = *pphead;*pphead = ( * pphead)->next;free(head);
}

思考:
需不需要单独去考虑,如果链表只有一个结点的特殊情况?
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答案:

不需要,因为如果链表只有一个结点,头删将头指针指向第二个结点,刚好是指向NULL,也是符合要求的.

单链表的"删除"指定的目标结点

步骤:

  1. 通过查找目标结点函数SListFind(下面牛牛讲了),找到目标结点的地址.
  2. 将目标结点的前驱结点指向目标结点的后继结点.
  3. 释放目标结点.
  4. 特殊情况:如果是头删,需要修改头结点,让其指向第二个结点.

图解:
在这里插入图片描述

代码实现:

//告诉位置(建议配合SListFind函数一起使用),删除第一个出现该值的节点
void SlitErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作assert(pos);SLTNode* cur = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历if (cur == pos) {//如果目标结点是头结点这种特殊情况SLTNode* next = cur->next;free(cur);*pphead = next;}else {while (cur->next != pos && cur->next != NULL)//遍历寻找目标结点{cur = cur->next;}cur->next = pos->next;//将目标结点的前驱指向目标结点的后继free(pos);}
}

2.4 "查找"目标结点函数

单链表查找目标结点只需要遍历一遍这个链表即可,如果目标结点有多个,则只返回第一个遇到的目标结点,找不到目标结点则返回NULL.
函数很简单,牛牛不过多介绍了.

SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, DateType x)
{SLTNode* cur = phead;//代替头指针遍历链表while (cur){if (cur->Date == x){return cur;}cur = cur ->next;}return NULL;
}

2.5 单链表的"打印"

单链表的打印很简单,遍历打印就行了.

void Print(SLTNode* phead)//链表的打印
{//assert(phead);SLTNode* cur = phead;while (cur){printf("%d->", cur->Date);cur = cur->next;}printf("NULL\n\n");
}

2.6 单链表的"销毁"

步骤:

  1. 创建next指针保存要删除节点的下一个结点.
  2. 将要删除的结点释放.
  3. 将要删除的结点更新到next
  4. 继续执行1
//单链表的销毁
void SLTDestroy(SLTNode* phead)//这个函数不会将头指针置空,要使用该函数的人自己置空
{SLTNode* del = phead;SLTNode* next = phead;//用于记录下一个结点while (next){next = next->next;free(del);del = next;}//保持习惯置空next == NULL;del = NULL;
}

总结:"链表"与"顺序表"的区别

顺序表链表区别
物理上必定是连续的逻辑上连续,但是物理上不一定连续物理存储空间
访问其中的某个结点支持随机访问( O(1) )不支持随机访问访问元素
大多数情况下需要移动数据,效率低( O(N) )只需要改变目标指针的指向,但是需要找到该结点删除和插入新节点(任意位置)
容量不够时,动态顺序表需要动态扩容,效率不高没有容量的概念不需要扩容,资源利用率高插入数据时
元素的存储很高效+频繁访问频繁的对任意位置的插入和删除使用场景
由于无物理上连续存在,利用率高利用率低缓存利用率

希望这篇文章对大家有帮助。欢迎小伙伴们私信提意见和提问哦！
最后，小伙伴们的点赞就是给牛牛最大的支持，能不能给牛牛来一个一键三连呢？谢谢支持。
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三、总代码

测试区(test.c)

//test.c 主函数区域,用于测试接口
#include "SList.h"
void test1()
{SLTNode* plist=NULL;printf("插入0,1,2,3,4,5,6,7,8,9之后:\n");PushBack(&plist, 1);PushBack(&plist, 2);PushBack(&plist, 3);PushBack(&plist, 4);PushBack(&plist, 5);PushBack(&plist, 6);PushBack(&plist, 7);PushBack(&plist, 8);PushBack(&plist, 9);//头插PushFront(&plist, 0);Print(plist);printf("尾删一次后:\n");PopBack(&plist);Print(plist);printf("头删一次后:\n");PopFront(&plist);Print(plist);printf("删除第一次出现元素7的结点后:\n");SlitErase(&plist, SListFind(plist, 7));Print(plist);printf("在第一个出现5值的结点后面插入一个值为666的结点\n");SLTInsertBack(SListFind(plist, 5), 666);Print(plist);SLTDestroy(plist);plist == NULL;
}
int main()
{test1();return 0;
}

接口实现区(SList.c)


#include "SList.h"SLTNode* BuyNode(DateType x)//创建新结点
{SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));assert(newnode);newnode->Date = x;newnode->next = NULL;return newnode;
}
void PushBack(SLTNode** pphead, DateType x)
{assert(pphead);SLTNode*tail = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历SLTNode* newnode = BuyNode(x);//cur代表代表头指针,phead表示头指针的地址//如果cur指向NULL,说明为空链表if (*pphead == NULL){//这里可以使用tail代替*phead吗?//不能,因为这里要改变的是,头结点的指针,需要用二级指针(解引用)来改变*pphead = newnode;//空链表是将头指针指向新节点}else{//找尾巴,画图解析//这里可以使用tail,是因为,要改变的是结构体的内容,只需要用结构体指针(解引用)就行while ( tail->next != NULL){tail = tail->next;}tail->next = newnode;}
}//头插(错误示例)
//void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x)
//{
//	assert(pphead);
//	SLTNode* phead = *pphead;
//	SLTNode* newnode = BuyNode(x);
//	//下面两句的顺序不能变,除非再创一个结点保phead
//	newnode->next = phead;
//	phead= newnode;
//}
// 
正确写法1
//void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x)
//{
//	assert(pphead);
//	SLTNode* newnode = BuyNode(x);
//	//下面两句的顺序不能变,除非再创一个结点保phead
//	newnode->next = *pphead;
//	*pphead = newnode;
//}//写法2
void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuyNode(x);SLTNode* phead = *pphead;//顺序随便改*pphead = newnode;newnode->next = phead;
}
//尾删
void PopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作SLTNode* tail = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历if (tail->next == NULL) {free(tail);tail= NULL;}else {while (tail->next->next != NULL){tail = tail->next;}free(tail->next);tail->next = NULL;}}
void PopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作SLTNode* head = *pphead;*pphead = ( * pphead)->next;free(head);
}SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, DateType x)
{SLTNode* cur = phead;while (cur){if (cur->Date == x){return cur;}cur = cur ->next;}printf("找不到:\n");return NULL;
}
void SlitErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead);//二级指针不可能为空,如果为空就一定是传错了assert(*pphead);//防止空链表的删除操作assert(pos);SLTNode* cur = *pphead;//创建一个指针代替头指针遍历if (cur == pos) {//如果目标结点时头结点SLTNode* next = cur->next;free(cur);*pphead = next;}else {while (cur->next != pos && cur->next != NULL)//遍历寻找目标结点{cur = cur->next;}cur->next = pos->next;//将目标结点的前驱指向目标结点的后继free(pos);}
}void SLTInsertBack( SLTNode* pos, DateType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = BuyNode(x);newnode->next = pos->next;pos->next = newnode;}void Print(SLTNode* phead)//链表的打印
{//assert(phead);SLTNode* cur = phead;while (cur){printf("%d->", cur->Date);cur = cur->next;}printf("NULL\n\n");
}void SLTDestroy(SLTNode* phead)//这个函数不会将头指针置空,要使用该函数的人自己置空
{SLTNode* del = phead;SLTNode* next = phead;//用于记录下一个结点while (next){next = next->next;free(del);del = next;}//保持习惯置空next == NULL;del = NULL;
}

函数声明区(SList.h)

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
typedef int DateType;
typedef struct SListN0de
{DateType Date;struct SListN0de* next;
}SLTNode;//尾插
void PushBack(SLTNode** pphead, DateType x);
//尾删
void PopBack(SLTNode** pphead);
//头插
void PushFront(SLTNode** pphead, DateType x);
//头删
void PopFront(SLTNode** pphead);//告诉值,返回结点的地址
SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, DateType x);//告诉位置(建议配合SListFind函数一起使用),删除第一个出现该值的节点void SlitErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);//告诉位置,在位置后面插入
void SLTInsertBack( SLTNode* pos, DateType x);struct SListN0de* BuyNode(DateType x);//创建新节点void Print(SLTNode* phead);//链表的打印// 单链表的销毁
void SLTDestroy(SLTNode* phead);

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