c语言数据结构——链表的实现及其基本操作

前言

顺序表的问题及思考
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？
   下面我们给出了链表的结构，让我们来看看吧。

链表表示和实现（单链表和双向链表）

1.链表的概念和基本结构

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 。

逻辑结构：


实际中要实现的链表的结构非常多样，以下情况组合起来就有8种链表结构：

1. 单向、双向
2. 带头、不带头
3. 循环、非循环

1.1单链表、双向链表

1.2不带头单链表和带头单链表

1.3单链表和循环单链表

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：

无头单向非循环链表

有头双向循环链表

1. 无头单向非循环链表：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。
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结构会带来很多优势，实现反而简单了，后面我们代码实现了就知道了。

2.单链表的实现

用结构体构造出链表的类型，声明一些基本操作

typedef int STLDataType;

typedef struct STListNode
{
    
    
	STLDataType data;
	struct STListNode* next;
}STLNode;


//向内存申请一个新节点
STLNode* BuySTLNode(STLDataType x);

//打印链表中的元素
void SListPrint(STLNode* phead);


//尾插
void SlistPushBack(STLNode** pphead, STLDataType x);

//头插
void SlistPushFront(STLNode** pphead, STLDataType x);

//尾删
void SlistPopBack(STLNode** pphead);

//头删
void SlistPopFront(STLNode** pphead);

//查找
STLNode* SlistFind(STLNode * phead,STLDataType x);

//在pos位置之前插入x
void SlistInsert(STLNode** pphead, STLNode* pos, STLDataType x);

//删除操作
void SlistErase(STLNode** pphead, STLNode* pos);

这些基本操作的实现方法：

先向内存申请一个新节点

//向内存申请一个新节点
STLNode* BuySTLNode(STLDataType x)
{
    
    
	STLNode* newnode = (STLNode*)malloc(sizeof(STLNode));
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	return newnode;
}

打印链表中的元素：

代码实现：

//打印链表中的元素
void SListPrint(STLNode* phead)
{
    
    
	STLNode* cur = phead;
	while (cur != NULL)
	{
    
    
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");

}

尾插：

代码实现：

//尾插
void SlistPushBack(STLNode** pphead, STLDataType x)
{
    
    
	STLNode* newnode =BuySTLNode(x);
	if (*pphead == NULL)
	{
    
    
		*pphead = newnode;
	}
	else
	{
    
    
		STLNode* tail = *pphead;
		while (tail->next != NULL)
		{
    
    
			tail = tail->next;
		}
		tail->next = newnode;
	}
}

头插：

代码实现：

//头插
void SlistPushFront(STLNode** pphead, STLDataType x)
{
    
    
	STLNode * newnode = BuySTLNode(x);
		newnode->next= *pphead;
		*pphead = newnode;
}

头删：

代码实现：

//头删
void SlistPopFront(STLNode** pphead)
{
    
    
	STLNode* next = (*pphead)->next;
	free(*pphead);
	*pphead = next;
}

尾删：

代码实现：

//尾删
void SlistPopBack(STLNode** pphead)
{
    
    
	//1.空节点
	//2.1个节点
	//3.多个节点
	if ((*pphead) == NULL)
	{
    
    
		return;
	}
	else if ((*pphead)->next== NULL)
	{
    
    
		free(*pphead);
		*pphead = NULL;
	}
	else
	{
    
    
		STLNode* prev = NULL;
		STLNode* tail = *pphead;
		while (tail->next != NULL)
		{
    
    
			prev = tail;
			tail = tail->next;
		}
		free(tail);
		prev->next = NULL;
	}

	
}

查找：

代码实现：

//查找
STLNode*  SlistFind(STLNode* phead, STLDataType x)
{
    
    
	STLNode* cur = phead;
	while (cur != NULL)
	{
    
    
		if (cur->data == x)
		{
    
    
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

在pos前面插入x：

代码实现：

//在pos前面插入x
void SlistInsert(STLNode** pphead,STLNode* pos, STLDataType x)
{
    
    
	if (*pphead == pos)
	{
    
    
		SlistPushFront(pphead, x);
	}
	else
	{
    
    
		STLNode* newnode = BuySTLNode(x);
		STLNode* cur = *pphead;
		while (cur->next != pos)
		{
    
    
			cur = cur->next;
		}
		newnode = cur->next;
		newnode->next = pos;
	}
}

删除pos位置的值：

代码实现：

//删除pos 位置的值
void SlistErase(STLNode** pphead, STLNode* pos)
{
    
    
	if (pos == *pphead)
	{
    
    
		SListPopFront(pphead);
	}
	else
	{
    
    
		STLNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
    
    
			prev = prev->next;
		}

		prev->next = pos->next;
		free(pos);
	}
}

3. 带头双向循环链表的实现

跟单链表类似

用结构体构造出链表的类型，声明一些基本操作

typedef int LTDataType;
//有头双向循环链表
typedef struct ListNode
{
    
    
	struct ListNode* prev;
	struct ListNode* next;
	LTDataType data;
}ListNode;


//初始化，申请一个头结点
ListNode* ListInit();


//双链表尾插
void ListPushBack(ListNode* phead,LTDataType x);

//双链表头插
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x);

//打印
void ListPrint(ListNode* phead);

//双链表尾删
void ListPopBack(ListNode* phead);

//双链表头删
void ListPopFront(ListNode* phead);

//查找
ListNode* ListFind(ListNode* phead,LTDataType x);

//在pos前插入一个结点
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x);

//删除pos位置上的结点
void ListErase(ListNode* pos);

//销毁链表
void ListDestroy(ListNode* phead);

基本操作的实现

申请一个新节点：

ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
    
    
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	newnode->prev = NULL;

	return newnode;
}

初始化

ListNode* ListInit()
{
    
    
	ListNode* phead = BuyListNode(0);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}

尾插

代码实现：

void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(phead);

	ListNode* tail = phead->prev;
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);

	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;

	//ListInsert(phead, x);
}

头插

代码实现：

void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(phead);

	ListNode* first = phead->next;
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);

	// phead newnode first
	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;
}

打印

void ListPrint(ListNode* phead)
{
    
    
	assert(phead);

	ListNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
    
    
		printf("%d ", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

头删：

代码实现：

void ListPopFront(ListNode* phead)
{
    
    
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	ListNode* first = phead->next;
	ListNode* second = first->next;
	phead->next = second;
	second->prev = phead;

	free(first);
	first = NULL;

	//ListErase(phead->next);
}

尾删

代码实现：

void ListPopBack(ListNode* phead)
{
    
    
	assert(phead);
	assert(phead->next != phead);

	ListNode* tail = phead->prev;
	ListNode* prev = tail->prev;

	prev->next = phead;
	phead->prev = prev;

	free(tail);
	tail = NULL;

	//ListErase(phead->prev);
}

查找

ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(phead);
	ListNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
    
    
		if (cur->data == x)
		{
    
    
			return cur;
		}

		cur = cur->next;
	}

	return NULL;
}

在pos位置之前插入x

代码实现：

// pos位置之前插入x
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pos);
	ListNode* prev = pos->prev;
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);

	// prev newnode pos
	prev->next = newnode;
	newnode->prev = prev;
	newnode->next = pos;
	pos->prev = newnode;
}

删除pos位置上的值

代码实现：

// 删除pos位置的值
void ListErase(ListNode* pos)
{
    
    
	assert(pos);

	ListNode* prev = pos->prev;
	ListNode* next = pos->next;
	prev->next = next;
	next->prev = prev;
	free(pos);
}

销毁链表

代码实现：

void ListDestory(ListNode* phead)
{
    
    
	assert(phead);
	ListNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
    
    
		ListNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	free(phead);
	phead = NULL;
}

测试案例1：

void ListTest1()
{
    
    
	ListNode* plist = ListInit();
	ListPushBack(plist, 3);
	ListPushBack(plist, 4);
	ListPushBack(plist, 5);
	ListPushBack(plist, 6);
	ListPushBack(plist, 7);
	ListPrint(plist);
	ListPushFront(plist, 2);
	ListPushFront(plist, 1);
	ListPrint(plist);
	ListPopBack(plist);
	ListPopBack(plist);
	ListPopFront(plist);
	ListPopFront(plist);
	ListPrint(plist);

}

int main()
{
    
    
	ListTest1();
	return 0;
}

运行结果：

测试案例2：

void ListTest2()
{
    
    
	ListNode* plist = ListInit();
	ListPushBack(plist, 3);
	ListPushBack(plist, 4);
	ListPushBack(plist, 5);
	ListPushBack(plist, 6);
	ListPushBack(plist, 7);
	ListPrint(plist);
	ListPushFront(plist, 2);
	ListPushFront(plist, 1);
	ListPrint(plist);
	ListErase(ListFind(plist, 3));
	ListInsert(ListFind(plist, 4), 30);
	ListPrint(plist);
}
int main()
{
    
    
	ListTest2();
	return 0;
}

运行结果：