链表（C 语言）

目录

  • 一、链表的概念
    • 1. 链表的结构
    • 2. 链表的分类
    • 3. 链表的优势
  • 二、链表的实现
    • 1. 无头单项非循环链表的实现
      • 1.1 代码说明
    • 2. 带头双向循环链表的实现
      • 2.1 代码说明
  • 三、链表和顺序表的区别
  • 四、链表总结

一、链表的概念

链表是一种顺序表，它由一个一个的节点组成，该节点中存储着该节点的数据 val 和下一个结点的位置 next。最后一个节点的 next 指向NULL。

1. 链表的结构

链表的逻辑结构是连续的，但是物理结构通常是不连续的。因为在逻辑上，好像每个节点都是链接在一起的。
在这里插入图片描述
但是实际上，只是 next 存储了下一个结点的地址。
在这里插入图片描述

2. 链表的分类

链表通过是否带哨兵位头节点、是否循环还有单向和双向三个标准分为 8 种。

哨兵位头节点：不用来存储数据，仅占位，相当于一个站岗的士兵。有了它就不用判断是不是第一次插入数据。
在这里插入图片描述

循环：尾节点的 next 指向头节点，形成一个环。
在这里插入图片描述

双向：当前节点既有下一个节点的地址，也有上一个节点的地址。
在这里插入图片描述

3. 链表的优势

相比于顺序表，链表具有以下优势：
（1）不需要扩容，不会造成空间的浪费
因为链表插入数据时就申请一个节点，容量刚好。
（2）插入删除数据时不需要移动数据，只需要把新的节点链接进去或者把旧的节点解开释放即可。

二、链表的实现

不管是什么类型的链表，它的基本结构都是一个节点，该节点至少需要数据的值和下一个节点的地址两个成员。

不管是顺序表也好，链表也罢，无非就是增删查改。实现的功能都是一样的，只是使用的方法不同。

下面先实现一个最基本的无头单项非循环链表，然后再实现一个带头双向循环链表。当你完成第一个链表的实现再去看第二个链表时，你会觉得非常简单。等你这两个链表都能实现的时候，你会发现链表也就这样。

1. 无头单项非循环链表的实现

老样子，分成三个文件：头文件、方法实现文件和测试文件。

头文件：ListNode.h

// 头文件
#include <stdio.h>// 无头单向非循环链表// 类型声明
typedef int DataType;// 节点结构声明
typedef struct ListNode
{DataType val;  // 数据struct ListNode* next;  // 下一个结点的位置
}ListNode;// 方法// 获得节点
ListNode* BuyNode(DataType data);// 头插
void ListPushFront(ListNode** pphead, DataType data);// 头删
void ListPopFront(ListNode** pphead);// 尾插
void ListPushBack(ListNode** pphead, DataType data);// 尾删
void ListPopBack(ListNode** pphead);// 查找
ListNode* ListFind(ListNode** pphead, DataType data);// 插入
void ListInsert(ListNode* pos, DataType data);// 删除
void ListErase(ListNode* pos);// 打印链表
void ListPrint(const ListNode** pphead);// 销毁链表
void ListDestory(ListNode** pphead);

方法实现文件：ListNode.c

// 头文件
#include "ListNode.h"
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>// 方法// 获得节点
ListNode* BuyNode(DataType data)
{// 申请节点ListNode* new_node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));if (NULL == new_node){perror("BuyNode::malloc: ");exit(-1);}// 赋值new_node->val = data;new_node->next = NULL;// 返回return new_node;
}// 头插
void ListPushFront(ListNode** pphead, DataType data)
{assert(pphead);// 获得新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 链接new_node->next = *pphead;*pphead = new_node;
}// 头删
void ListPopFront(ListNode** pphead)
{assert(pphead);// 空表if (NULL == *pphead){printf("Empty List!\n");exit(-1);}// 删除ListNode* next = (*pphead)->next;free(*pphead);*pphead = next;
}// 尾插
void ListPushBack(ListNode** pphead, DataType data)
{assert(pphead);// 获得新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 头插判断if (NULL == *pphead){*pphead = new_node;}else  {// 找尾ListNode* tail = *pphead;while (tail->next){tail = tail->next;}// 链接tail->next = new_node;}
}// 尾删
void ListPopBack(ListNode** pphead)
{assert(pphead);// 空表if (NULL == *pphead){printf("Empty List!\n");exit(-1);}// 头删判断if (NULL == (*pphead)->next){free(*pphead);*pphead = NULL;}else{// 找尾前节点ListNode* pre_tail = *pphead;while (pre_tail->next->next){pre_tail = pre_tail->next;}// 释放尾free(pre_tail->next);// 新尾后置空pre_tail->next = NULL;}
}// 查找
ListNode* ListFind(ListNode** pphead, DataType data)
{assert(pphead);ListNode* cur = *pphead;while (cur){// 找到了if (cur->val == data)return cur;// 下一个cur = cur->next;}// 没找到return NULL;
}// 插入
void ListInsert(ListNode* pos, DataType data)
{assert(pos);// 申请新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 链接new_node->next = pos->next;pos->next = new_node;
}// 删除
void ListErase(ListNode* pos)
{assert(pos);// 记录删除位ListNode* del = pos->next;// 链接pos->next = pos->next->next;// 删除free(del);
}// 打印链表
void ListPrint(const ListNode** pphead)
{assert(pphead);// 打印const ListNode* cur = *pphead;while (cur){printf("%d ", cur->val);// 下一个节点cur = cur->next;}printf("\n");
}// 销毁链表
void ListDestory(ListNode** pphead)
{assert(pphead);// 销毁ListNode* cur = *pphead;while (cur){// 存储下一个节点ListNode* next = cur->next;// 删除当前节点free(cur);// 下一个节点cur = next;}// 置空*pphead = NULL;
}

测试文件：test.c

// 头文件
#include "ListNode.h"// 头插头删测试
void test1()
{ListNode* phead = NULL;// 头插int i = 0;for (i = 0; i < 5; ++i){ListPushFront(&phead, i);}ListPrint(&phead);// 头删for (i = 0; i < 5; ++i){ListPopFront(&phead);printf("头删 %d 次: ", i+1);ListPrint(&phead);}// 销毁链表ListDestory(&phead);
}// 尾插尾删测试
void test2()
{ListNode* phead = NULL;// 尾插int i = 0;for (i = 0; i < 5; ++i){ListPushBack(&phead, i);}ListPrint(&phead);// 尾删for (i = 0; i < 5; ++i){ListPopBack(&phead);printf("尾删 %d 次: ", i+1);ListPrint(&phead);}// 销毁ListDestory(&phead);
}// 插入删除查找测试
void test3()
{ListNode* phead = NULL;// 尾插int i;for (i = 1; i <= 5; ++i){ListPushBack(&phead, i);}ListPrint(&phead);// 在每个数据后面插入 9for (i = 1; i <= 5; ++i){// 找位置ListNode* pos = ListFind(&phead, i);// 在后面插入 9ListInsert(pos, 9);}ListPrint(&phead);// 删除 9for (i = 1; i <= 5; ++i){// 找位置ListNode* pos = ListFind(&phead, i);// 在后面插入 9ListErase(pos);}ListPrint(&phead);// 销毁ListDestory(&phead);
}int main()
{// 头插头删测试printf("头插头删测试:\n");test1();// 尾插尾删测试printf("\n\n尾插尾删测试:\n");test2();// 插入删除查找测试printf("\n\n插入删除查找测试:\n");test3();return 0;
}

程序测试结果：
在这里插入图片描述

1.1 代码说明

1. 为什么使用二级指针？
首先，只要是插入操作，当插入第一个节点的时候需要改变头节点的指向，那么只有传入头节点的指针才能改变它的值。删除也是一个道理，当删除最后一个节点时，需要把头节点置空，也需要二级指针。所以这里已经有六个函数需要传递二级指针了，那么干脆把所有函数都设计成传递二级指针，这样既方便又统一。

2. 为什么需要对 pphead 断言？
这里要知道 pphead 是什么，它是头节点指针的地址。这个头节点指针是一定存在的，所以它的地址一定不是 NULL。

3. 为什么 ListInsert() 和 ListErase() 都是在给定位置之后插入删除？
如果在给定位置之前进行插入删除，需要遍历链表，找到前一个位置，这样就消耗了时间。而在给定位置之后插入删除，只需要链接上或者断开链接释放即可。

4. 尾插尾删需要进行判断
尾插需要判断是否是第一次插入，因为第一次插入需要改变头节点的位置。若不是第一次插入就需要寻找尾节点，然后再进行插入。
尾删需要判断是否是最后一个节点，因为删除完最后一个节点需要把头节点置空。若不是最后一个节点，需要找到尾节点的前一个节点，然后进行删除。

2. 带头双向循环链表的实现

有了前面无头单项不循环链表的基础，现在来实现这个带头双向循环链表那就是 so easy！这个新链表的节点在原来的基础上增加了一个 pre 指针，指向前一个节点。由于哨兵位头节点初始状态 pre 和 next 都指向自己，所以该链表的头节点需要使用一个函数来初始化并返回。令人最兴奋的是，该表的尾插和尾删都不要判断，而且所有函数都可以只传一级指针。

头文件：ListNode.h

// 头文件
#include <stdio.h>// 带头双向循环链表// 类型声明
typedef int DataType;// 链表节点声明
typedef struct ListNode
{DataType val;  // 数据struct ListNode* pre;  // 前一个节点的地址struct ListNode* next;  // 下一个节点的地址
}ListNode;// 方法// 获得哨兵位头节点
ListNode* ListCreate();// 获得新节点
ListNode* BuyNode(DataType data);// 头插
void ListPushFront(ListNode* phead, DataType data);// 头删
void ListPopFront(ListNode* phead);// 尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, DataType data);// 尾删
void ListPopBack(ListNode* phead);// 插入
void ListInsert(ListNode* pos, DataType data);// 删除
void ListErase(ListNode* pos);// 打印
void ListPrint(const ListNode* phead);// 查找
ListNode* ListFind(const ListNode* phead, DataType data);// 销毁
void ListDestory(ListNode* phead);

方法实现文件：ListNode.c

// 头文件
#include "ListNode.h"
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>// 方法// 获得哨兵位头节点
ListNode* ListCreate()
{// 申请新节点ListNode* phead = BuyNode(0);// 初始化phead->next = phead->pre = phead;phead->val = 0;// 返回return phead;
}// 获得新节点
ListNode* BuyNode(DataType data)
{// 申请新节点ListNode* new_node = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));if (NULL == new_node){perror("ListCreate::malloc: ");exit(-1);}// 初始化new_node->next = new_node->pre = NULL;new_node->val = data;// 返回return new_node;
}// 头插
void ListPushFront(ListNode* phead, DataType data)
{assert(phead);// 获得新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 前后链接ListNode* next = phead->next;new_node->next = next;next->pre = new_node;new_node->pre = phead;phead->next = new_node;
}// 头删
void ListPopFront(ListNode* phead)
{assert(phead);// 空表if (phead->next == phead){printf("Empty List!\n");exit(-1);}// 存储下一个节点ListNode* next = phead->next->next;// 删除头节点free(phead->next);next->pre = phead;phead->next = next;
}// 尾插
void ListPushBack(ListNode* phead, DataType data)
{assert(phead);// 申请新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 链接ListNode* tail = phead->pre;tail->next = new_node;new_node->pre = tail;new_node->next = phead;phead->pre = new_node;
}// 尾删
void ListPopBack(ListNode* phead)
{assert(phead);// 空表if (phead->next == phead){printf("Empty List!\n");exit(-1);}// 存储尾前节点ListNode* new_tail = phead->pre->pre;free(phead->pre);new_tail->next = phead;phead->pre = new_tail;
}// 插入
void ListInsert(ListNode* pos, DataType data)
{// 申请新节点ListNode* new_node = BuyNode(data);// 链接ListNode* pre = pos->pre;pre->next = new_node;new_node->pre = pre;new_node->next = pos;pos->pre = new_node;
}// 删除
void ListErase(ListNode* pos)
{// 链接前后ListNode* pre = pos->pre;pre->next = pos->next;pos->next->pre = pre;// 释放当前结点free(pos);
}// 打印
void ListPrint(const ListNode* phead)
{assert(phead);ListNode* cur = phead->next;while (cur != phead){printf("%d ", cur->val);// 下一个节点cur = cur->next;}printf("\n");
}// 查找
ListNode* ListFind(const ListNode* phead, DataType data)
{assert(phead);ListNode* cur = phead->next;while (cur != phead){// 找到了if (cur->val == data)return cur;// 下一个节点cur = cur->next;}// 没找到return NULL;
}// 销毁
void ListDestory(ListNode* phead)
{assert(phead);ListNode* cur = phead->next;while (cur != phead){// 存储下一个节点ListNode* next = cur->next;// 删除当前节点free(cur);// 下一个节点cur = next;}// 释放哨兵位头节点free(phead);
}

测试文件：test.c

// 头文件
#include "ListNode.h"// 头插头删测试
void test1()
{// 创建链表ListNode* phead = ListCreate();// 头插int i = 0;for (i = 0; i < 5; ++i){ListPushFront(phead, i);}ListPrint(phead);// 头删for (i = 0; i < 5; ++i){ListPopFront(phead);printf("头删 %d 次: ", i + 1);ListPrint(phead);}// 销毁ListDestory(phead);phead = NULL;
}// 尾插尾删测试
void test2()
{ListNode* phead = ListCreate();// 尾插int i;for (i = 0; i < 5; ++i){ListPushBack(phead, i);}ListPrint(phead);// 尾删for (i = 0; i < 5; ++i){ListPopBack(phead);printf("尾删 %d 次: ", i+1);ListPrint(phead);}// 销毁ListDestory(phead);phead = NULL;
}// 插入删除查找测试
void test3()
{// 创建链表ListNode* phead = ListCreate();// 尾插int i;for (i = 0; i < 5; ++i){ListPushBack(phead, i);}ListPrint(phead);// 插入for (i = 0; i < 5; ++i){ListNode* pos = ListFind(phead, i);ListInsert(pos, 9);}ListPrint(phead);// 删除for (i = 0; i < 5; ++i){ListNode* pos = ListFind(phead, i);ListErase(pos);}ListPrint(phead);// 销毁ListDestory(phead);phead = NULL;
}int main()
{ 头插头删测试//test1(); 尾插尾删测试//test2();// 插入删除查找测试test3();return 0;
}

程序测试结果：
在这里插入图片描述

2.1 代码说明

1. 所有函数都只传一级指针
因为有哨兵位头节点的存在，不管是增删查改哪个功能都只需要一级指针。只是销毁链表需要在外头置空。

2. 尾插和尾删不需要检查和找尾
即使表中没有数据节点，但是还存在哨兵位头节点。且它的前一个就是尾节点，不需要寻找。

3. ListInsert() 和 ListErase() 函数可以在当前位置之前进行操作
由于该链表是双向的，不需要遍历寻找前一个节点。所以可以删除当前位置的节点和在当前节点的前面插入节点。

三、链表和顺序表的区别

在这里插入图片描述
上面的图片是偷课件的，下面作者用自己的理解来说明一下：
（1）顺序表是使用数组实现的，在内存中的存储是连续的。而链表是通过申请一个个节点链接在一起的，物理上是不连续的（极低概率的就不要来抬杠了）。
（2）顺序表支持随机访问，时间复杂度为O(1)；而链表不支持随机访问，需要从头节点开始寻找，时间复杂度为O(N)。
（3）顺序表在插入元素的时候可能会触发增容，可能会造成空间浪费；链表没有增容这个说法，每次插入都申请一个新的节点，需要多少就申请多少，不存在浪费。
（4）顺序表在插入和删除元素时，时间复杂度最高为O(N)，最低为O(1)，分别对应头插头删和尾插尾删，平均时间复杂度为O(N)。而链表其实也和顺序表差不多，头插头删为O(1)，尾插尾删为O(N)，平均时间复杂度也是O(N)。但是由于顺序表存在增容，所以链表还是优于顺序表。
（5）顺序表的缓存利用率远高于链表。

关于缓存利用率这个概念，大家就只能自己下去了解一下了，我只能偷张图来帮助大家。
在这里插入图片描述

四、链表总结

其实在写完带头双向循环链表的时候，大家心中肯定在想，这个 3 层 buff 的表这么牛逼，为什么还要使用无头单项非循环链表。这是因为出面试题的时候使用的链表基本上是后者，如果给你前者，那么题目就会变得很简单。再者，无头单项非循环链表是一些复杂数据结构的子结构，一般不单独使用。

而带头双向循环链表可以根据使用场景来使用。

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