数据结构之链表（1），单链表

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

1. 链式结构在逻辑上是连续的，在物理结构上不⼀定连续
2. 结点一般是从堆上申请的
3. 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

1. 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)
2. 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。
3. 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：

1. 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。
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。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：

1. SList.h：单链表的结构声明，各种函数声明
2. SList.c：用于函数的具体实现
3. 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：

1. 该函数用于申请新节点，一个参数，其为新节点存储的数据
2. 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
3. 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：

1. 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
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 

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：

1. 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
2. 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。
3. 

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：

1. 功能：删除链表的最后一个节点，参数为一个二级指针
2. 首先断言，不能传空指针并且链表不能为空
3. 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
4. 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。
5. 

6.SLTPopFront函数

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead && *pphead);

	SLTNode* next = (*pphead)->next;

	free(*pphead);

	*pphead = next;
}

解析：

1. 功能：删除链表的头部节点
2. 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：

1. 功能：查找数据为 x 的节点，返回该节点的地址。
2. 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
3. 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：

1. 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。
2. 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
3. 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。
4. 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。
5. 

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：

1. 功能：在指定位置之后插入数据。
2. 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。
3. pos指针使用SLTFind函数指定即可
4. 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。
5. 

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：

1. 功能：删除指定位置的节点。
2. 参数需用到头节点和pos指向节点
3. 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。
4. 

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：

1. 功能：删除pos位置后一个节点
2. 只需要pos指针即可
3. 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：

1. 功能：销毁整个链表
2. 断言确保链表不为空
3. 创建pcur循环遍历链表，只要pcur不为空，释放该空间。
4. 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：

总结

        以上就是本文的全部内容，感谢支持。