数据结构：链表详解 (c++实现)

前言

对于数据结构的线性表，其元素在逻辑结构上都是序列关系，即数据元素之间有前驱和后继关系。
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但在物理结构上有两种存储方式：

  • 顺序存储结构：

    • 使用此结构的线性表也叫 顺序表
    • 物理存储上是连续的，因此可以随机访问，时间复杂度为 O(1)
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  • 链式存储结构：

    • 使用此结构的线性表也叫 链表
    • 物理存储上不连续，因此不支持随机访问
      在这里插入图片描述

接下来要介绍的就是 链表。
链表分为 单向链表（单链表）与 双向链表（双链表），理解了单链表，双链表自然也明白了。

1. 什么是单链表

1.1 定义

链表由一系列的节点组成（链表中的每个元素都可称为节点），对于单链表而言，它的节点包含两部分：

  • 数据域：存储当前节点的数据
  • 指针域：存储当前节点的下一个节点（后继节点）的地址

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那么现在定义单链表 SingleList 的节点 Node：

1.2 创建 Node

struct Node {int val;		// 数据域Node* next;		// 指针域：指向的是 Node，所以类型为 Node*
};

这么定义的 Node 类只能接收数据类型为 int 的数据，对于其他类型的数据当前的类不能处理，因此为了代码的通用性，将 Node 定义为模版类：

template <typename T>
struct Node
{T val;		// 数据域Node* next;		// 指针域Node(T v, Node* n = nullptr) :val{ v }, next{ n } { }
};

为了方便初始化，Node 还增加了构造函数：一个节点肯定必须有数据域，但指针域可以为空（表示没有后继节点了）

那么我们可以如下创建节点：

Node<int> node2(2);		// 数据域为：2 (int)，指针域为空
Node<int> node1(1, &node2);		// 数据域为：1，指针域为 node2 的地址

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1.3 创建 SingleList

从单链表的定义可以看出，单链表都会有：

  • 头结点（head）：第一个节点
  • 尾结点（rear）：最后一个节点
    在这里插入图片描述

对于 SingleList 来说，我们显然需要能够访问链表中的所有节点。
对于一个节点来说，我们能得到两部分信息：

  • 当前节点自身的值（数据域）
  • 当前节点的下一个节点（指针域）

也就是说，我们只需要通过头结点，就可以访问该链表上的所有节点，并且不会越界。

当某一节点的后继节点为空时，说明当前节点是尾结点，不能在继续访问下一节点。

因此你可以在 SingleList 类中保存头结点，但是这会有一个问题：
如果当前单链表没有节点怎么办？

之前已经说明节点不能为空：一个节点肯定必须有数据域，但指针域可以为空。

显然保存头结点不是一个好的方法，那么我们可以保存 头指针。

头指针：指向头结点的指针

此时就可以

  • 通过 头指针 访问 头结点，进而访问所有节点。
  • 当 头指针 为 nullptr 时，说明当前单链表没有节点。
    在这里插入图片描述

由于 Node 为模版类，因此 SingleList 也为模板类：

template <typename T>
class SingleList {
public:SingleList() = default;	   // 默认构造空单链表private:Node<T>* head = nullptr;
};

下面来实现一些单链表经常会用到的操作：

2 SingleList 的操作

接下来的操作会涉及到指针的相关操作，使用不当很容易导致 bug

补充 SingleList 类：

template <typename T>
class SingleList {
public:SingleList() = default;// 成员变量为指针，析构时需要释放内存~SingleList();	  // 返回节点数int size() const;// 返回 i 位置的节点值int get(int i) const;// 头插法void push_front(T t);// 尾插法void push_back(T t);// 删除头结点void pop_front();// 删除尾结点void pop_back();// 在 i 位置插入void insert(int i, T t);// 删除 i 位置的节点void erase(int i);private:Node<T>* head = nullptr;
};

2.1 size()

作用：求链表的节点个数

在此之前先来看如何遍历链表：

head 为 类指针（'Node<...>*'），
可以通过 '->' 去访问类的成员
'head->next' <==> '(*head).next'

对于下面的链表有：
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换言之可以通过 head 访问所有节点，那么用一个临时变量 node 来拷贝一份 head，用 node 来遍历链表：

auto node = head;
while (node != nullptr) {	// node == nullptr 说明 node 为尾结点的下一个节点（空）cout << node->val << endl;node = node->next;		// 将 node 后移一个节点
}

用上面的例子来分析此程序：

  • 首先拷贝 head

    auto node = head;

    在这里插入图片描述

  • 因为 node != nullptr，故进入 while 循环

  • 此时 node 指向第一个节点，node->val = 0，此时有
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  • node = node->next
    在这里插入图片描述

  • 由于 node != nullptr，进入下一次循环

  • 此时 node 指向第二个节点，node->val = 1，此时有
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  • 执行 node = node->next
    在这里插入图片描述

  • 此时 node == nullptr，退出循环

因此可以 size() 函数实现如下：

下面的所有成员函数都是在类内部实现的

int size() const 
{auto node = head;int res = 0;while (node != nullptr) {res++;node = node->next;}return res;
}

【注】为什么不直接用 head 进行遍历，而用一个临时指针？

如果用 head 进行遍历：

while (head != nullptr) {cout << node->val << endl;head = head->next;		
}

根据前面的分析，如果链表中有节点，采用此方法会造成最后 head 指向链表的尾结点的下一个节点（nullptr），那么之后 head 就无法用来遍历此链表了，即此链表 “丢失” 了。

在链表的插入与删除操作，需要特别注意先后顺序。

2.2 push_front(T t)

作用：头插法，在链表的头部插入一个节点

设待插入节点为 node
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  • node->next = head
    在这里插入图片描述

  • head = node

    新加入的节点现在成为头结点了

    在这里插入图片描述

void push_front(T t)
{Node<T>* node = new Node<T>(t);   // 创建的是指针，需要 new 一块内存 node->next = head;head = node;
}

为了用户更易于理解此单链表，从用户视角来看：他关心的仅仅是数据域；指针域用户不需要关心，由类的设计者来管理。因此函数 push_front 的参数应该是节点的数据域（ push_front(T t) ），而不应该是节点 （ push_front(Node n) ），后面的几个函数也是如此。

【易错】 node->next = head 与 head = node 的顺序不能颠倒。

如果颠倒了，那么：
初始状态：
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  • head = node
    在这里插入图片描述

  • node->next = head

显然结果不对

不需要死记硬背，自己画图分析即可

2.3 push_back(T t)

作用：尾插法，在尾结点后面插入一个节点

只需要：将尾结点的 next 指向待插入节点即可
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void push_back(T t)
{Node<T>* node = new Node<T>(t);auto rear = head;while (rear->next != nullptr) {		// 遍历找到尾结点rear = rear->next;	}rear->next = node;	// 将尾结点的 next 指向待插入节点
}

2.4 pop_front()

作用：删除头结点

在这里插入图片描述
你可能直接如下实现：

 void pop_front(){head = head->next;}

但是这存在 内存泄露 问题：被删除的指针所指的内存没有被释放。

 void pop_front(){auto node = head;head = head->next;delete node;	// 释放旧头指针}

【注】 注意 delete node 的时机

来看下面代码：

 void pop_front(){auto node = head;delete node;	head = head->next;}

如果这样做，那么相当于

 void pop_front(){delete head;	head = head->next;}

先 delete head，那么此时 head 所指的内存已经被释放了，此时 head 的值就是一个随机值，之后再使用 head 就是没有意义的，会导致未定义行为，产生逻辑错误甚至程序直接崩溃。

后面涉及到 delete 的函数也需要考虑此问题

2.5 pop_back()

作用：删除尾结点

在这里插入图片描述

void pop_back()
{auto rsecond = head;while (rsecond->next->next != nullptr) {   // 得到尾结点的前一个节点 rsecond = rsecond->next;}delete rsecond->next;	// 释放尾结点rsecond->next = nullptr;
}

需要注意释放完尾结点后，需要将现在的尾结点的 next 指向 nullptr，否则它将指向一块未定义的内存（随机值）。

insert 与 erase 函数涉及到中间节点的插入与删除，因此下面只讲解方法，所有的代码在文章最后

2.6 中间节点的插入

【例】在位置 1 插入节点 node

  • node1 代指图中值为 1 的节点，以此类推… …
  • 默认头结点的下标为 0，那么插入前的位置 1 就是下面的 node2，node1 为待插入节点

在这里插入图片描述

  • node1->next = node2

在这里插入图片描述

  • node0->next = node1
    在这里插入图片描述

2.7 中间节点的删除

【例】删除位置 1 的节点
初始状态：

在这里插入图片描述
你可以直接 node0->next = node2，逻辑上没有问题，但是代码上存在 内存泄漏
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因此在执行 node0->next = node2 前，需要保存被删除的节点，在后续以释放内存。

3. 双向链表

3.1 什么是双链表

在单链表中，你会发现一个问题：单链表只能朝一个方向上（从头到尾）进行遍历，此外由于只存储了头指针，因此在尾结点的插入与删除的时间复杂度都是 O(n)。
为了解决这些问题，双链表就此诞生：
双链表在单链表的基础上增加了尾指针，节点增加了一个指针域（pre）用于指向当前节点的前驱节点。

  • 尾指针：指向尾结点的指针
  • 前驱节点：某节点的前一个节点

在这里插入图片描述

因此你会发现：

  • 头节点的前驱节点为空
  • 尾节点的后继节点为空
  • 其余节点的前驱、后继节点都不为空

由于增加了尾指针，因此在尾结点的插入与删除时间复杂度变为 O(1)，因为此时可以通过尾指针直接在尾结点进行操作。
同时由于加入了 pre 指针，因此可以对链表进行双向遍历。

你理解了单链表的操作，双链表的操作也很容易理解，下面讲解较难的中间节点的插入与删除

3.2 中间节点的插入

【例】在位置 1 插入节点
在这里插入图片描述
看起来比较复杂，其实只需要从目标反推即可。
我们的目标是：
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在之前的单链表中，你可以发现 对于节点的插入：

一般是 先给 待插入节点 的指针域进行赋值，否则可能会丢失某些节点。

比如如果我们先执行 node0->next = node1，会导致 node2 丢失
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因此需要先对待插入节点的指针域进行赋值

当然针对上面的操作，你可以在执行 node0->next = node1 之前，将 node2 进行保存，就不会丢失 node2。
这也是可以的，但是比较浪费空间。

  • node1->pre = node0
  • node1->next = node2

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  • node0->next = node1
  • node2->pre = node1
    在这里插入图片描述

上面的代码有的可以交换位置，有的不可以，所以还是那句话：没必要死记硬背，自己画图分析即可。（在这里重点分析是否是丢失对某节点的指针）

3.3 中间节点的删除

【例】删除位置 1 上的节点
在这里插入图片描述
同理从目标反推：
在这里插入图片描述
因此我们需要

  • node0->next = node2
  • node2->pre = node0

两者可以交换顺序。但这只是就逻辑层面上可以，在代码层面上还需要考虑 内存泄漏，node1 需要被释放。

4. 循环链表

首尾相连 的链表。分为：

  • 单循环链表

    • rear->next = head
      在这里插入图片描述

  • 双循环链表

    • head->pre = rear
    • rear->next = head

在这里插入图片描述

5. 线性表 与 链表 的比较

优点缺点使用场景
顺序表（1）程序设计简单；（2）能随机访问，时间复杂度为O(1)；（3）存储空间利用率高（1）需事先知道表长；（2）插入元素需移动元素；（3）多次插入元素后可能会造成溢出（1）事先确定表长；（2）很少在非尾部位置进行插入和删除；
链表（1）存储空间动态分配，不需事先确定表长；（2）插入与删除只引起指针的变化；（1）程序设计较为复杂；（2）不能随机访问，读取的时间复杂度为O(n)；（3）存在结构性开销；（1）事先不确定表长；（2）需要经常进行插入与删除

【解释】

  • 访问元素的时间复杂度
    • 线性表：由于它的物理存储空间是连续的，所以元素的下标与实际的内存地址存在线性关系，可以直接计算得出，即可以随机访问，因此时间复杂度为 O(1)
    • 链表：物理存储空间一般不连续，故不能随机访问，时间复杂度为 O(n)
  • 不管是线性表还是链表，核心目的都是存储数据。

    • 线性表：它的元素就是所需要存储的数据，所以存储空间利用率高；

    • 链表：它的元素除了所需要存储的数据，还存在指针域以保存额外的信息，但是这部分信息在用户层面上是没必要的。

      尽管底层设计需要维护指针，但是使用它的人只关心链表所存储的数据

      故存在结构性开销，存储空间利用率较低。

最后

单链表实现代码见：SingleList

源码仅一个头文件，将其包含即可进行使用以及测试，如代码有 bug，敬请指正。

本文参考教科书以及网上资料，并加入自己的一些理解。
如有错误或者不足，欢迎指出。

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