数据结构：双向链表的实现(C实现)

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前言

本篇博客，将要实现的是带头双向循环链表，该结构实现尾插，尾删只需要O(1)的时间复杂度。
其结构如下所示：

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一、实现思路

1.节点的结构(ListNode)

既然要实现的链表是双向循环的，那么对于指针域，我们就需要指向节点上一个的指针和指向节点下一个的指针。至于双向循环，我们只需要尾节点的next指向头结点，头结点的prev指向尾节点，即可实现双向循环。
如下：

typedef int LTDataType;//方便以后修改数据类型

typedef struct ListNode
{
    
    
	LTDataType data;
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
}ListNode;

2.新节点的创建(BuyListNode)

动态开辟一块空间，使该节点的prev，next都指向自己(方便头结构的创建)，再为data赋值，返回该空间地址。

//创建新节点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
    
    
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	if (newnode == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}

	newnode->data = x;
	newnode->next = newnode;
	newnode->prev = newnode;

	return newnode;
}

3.头结点的创建(ListCreate)

复用BuyListNode函数，使头结点的data为无效数据(这里即为-1)。

//创建返回链表的头结点
ListNode* ListCreate()
{
    
    
	return BuyListNode(-1);
}

4.双向链表的销毁(ListDestroy)

要销毁链表，我们就要遍历链表，那么如何遍历链表？

• 以遍历到头节点为结束条件
• 从头结点的下一个节点开始遍历

如上，我们就可以循环遍历链表。
销毁节点，我们需要两指针变量，一个记录要free的节点(cur)，一个记录要free的节点的下一个节点(curNext)。每次free(cur)，使cur = curNext。

//双向链表的销毁
void ListDestroy(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);

	ListNode* cur = pHead->next;
	while (cur != pHead)
	{
    
    
		ListNode* curNext = cur->next;
		
		free(cur);
		cur = curNext;
	}
	free(pHead);
}

5.双向链表的打印(ListPrint)

我们只有遍历打印链表即可。

• 以遍历到头节点为结束条件
• 从头结点的下一个节点开始遍历

//双向链表的打印
void ListPrint(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);

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

6.双向链表的尾插(ListPushBack)

我们只需要让尾节点(tail)的next指向newnode，newnode的prev指向尾节点(tail)，newnode的next指向头结点，头结点的prev指向newnode.
我们知道该链表是双向循环的，那么头结点的上一个节点就是尾节点。(与单链表相比该链表实现尾插并不需要遍历找尾，时间复杂度是O(1) )。

//双向链表的尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pHead);

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

	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	pHead->prev = newnode;
	newnode->next = pHead;
}

7.双向链表的尾删(ListPopBack)

我们只需要两个指针tail (指向尾节点)，tailPrev (指向尾节点的上一个节点)。
free掉tail，使tailPrev的next指向头结点，头结点的prev指向tailPrev。

• 注意：head->next == head 时，链表无有效数据，不能尾删数据。

//双向链表的尾删
void ListPopBack(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);
	//pHead->next == pHead时，链表没有元素
	assert(pHead->next != pHead);

	ListNode* tail = pHead->prev;
	ListNode* tailPrev = tail->prev;

	pHead->prev = tailPrev;
	tailPrev->next = pHead;
	free(tail);
}

8.双向链表的头插(ListPushFront)

我们只需要一个指针 first (头结点的下一个节点)，使first的prev指向newnode，newnode的next指向first，head的next指向newnode，newnode的prev指向head。

head节点是哨兵位，不存储有效数据。

//双向链表的头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pHead);

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

	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;
	newnode->prev = pHead;
	pHead->next = newnode;
}

9.双向链表的头删(ListPopFront)

我们需要两个指针frist (指向头结点的下一个节点)，second (指向头结点的下一个的下一个节点)。
free掉first，使second的prev指向头结点，头结点的next指向second。

• 注意：如果head->next == head，表示链表为空，不能头删。

//双向链表的头删
void ListPopFront(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);
	assert(pHead->next != pHead);

	ListNode* first = pHead->next;
	ListNode* second = first->next;

	second->prev = pHead;
	pHead->next = second;
	free(first);
}

10.双向链表的查找(ListFind)

我们需要遍历链表，比较链表元素是否是要查找对象。如果找到了，返回该节点的地址。如果找不到，返回NULL。

//双向链表的查找
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;
}

11.双向链表在pos前插入(ListInsert)

我们需要一个指针 posPrev (指向pos前一个节点)。
pos的prev指向newnode，newnode的next指向pos；posPrev的next指向newnode，newnode的prev指向posPrev。

• 如果pos指向头结点(哨兵位)，那么ListInsert相当与完成尾插。
• 如果pos指向头结点(哨兵位)的下一个节点，那么ListInsert相当于头插。

//双向链表在pos前进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pos);

	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	ListNode* posPrev = pos->prev;

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

12.双向链表删除pos位置处的节点(ListErase)

我们需要两个指针posPrev(记录pos的上一个节点的地址)，posNext(记录pos的下一个节点的地址)。free掉pos，使posNext的prev指向posPrev，posPrev的next指向posNext。

• 如果pos指向头结点的下一个，那么ListErase相当于头删。
• 如果pos指向头结点的上一个(也就是尾节点)，那么ListErase相当于尾删。

//双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos)
{
    
    
	assert(pos);

	ListNode* posNext = pos->next;
	ListNode* posPrev = pos->prev;

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

二、代码实现

对于头插，尾插函数，我复用了ListInsert函数。
对于头删，尾删函数，我复用了ListErase函数。

//Lish.h 文件

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>


typedef int LTDataType;

typedef struct ListNode
{
    
    
	LTDataType data;
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
}ListNode;


//创建返回链表的头结点
ListNode* ListCreate();

//创建新节点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x);

//双向链表的销毁
void ListDestroy(ListNode* pHead);

//双向链表的打印
void ListPrint(ListNode* pHead);

//双向链表的尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x);

//双向链表的尾删
void ListPopBack(ListNode* pHead);

//双向链表的头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x);

//双向链表的头删
void ListPopFront(ListNode* pHead);

//双向链表的查找
ListNode* ListFind(ListNode* pHead, LTDataType x);

//双向链表在pos前进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x);

//双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos);

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//Lish.c  文件

#include "List.h"


//创建返回链表的头结点
ListNode* ListCreate()
{
    
    
	return BuyListNode(-1);
}


//创建新节点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
    
    
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	if (newnode == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}

	newnode->data = x;
	newnode->next = newnode;
	newnode->prev = newnode;

	return newnode;
}


//双向链表的打印
void ListPrint(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);

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

//双向链表的尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pHead);

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

	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	pHead->prev = newnode;
	newnode->next = pHead;*/
	
	ListInsert(pHead, x);
}


//双向链表的尾删
void ListPopBack(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);
	//pHead->next == pHead时，链表没有元素
	assert(pHead->next != pHead);

	/*ListNode* tail = pHead->prev;
	ListNode* tailPrev = tail->prev;

	pHead->prev = tailPrev;
	tailPrev->next = pHead;
	free(tail);*/

	ListErase(pHead->prev);
}


//双向链表的头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pHead);

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

	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;
	newnode->prev = pHead;
	pHead->next = newnode;*/

	ListInsert(pHead->next, x);
}


//双向链表的头删
void ListPopFront(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);
	assert(pHead->next != pHead);

	/*ListNode* first = pHead->next;
	ListNode* second = first->next;

	second->prev = pHead;
	pHead->next = second;
	free(first);*/

	ListErase(pHead->next);
}



//双向链表的查找
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;
}



//双向链表在pos前进行插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
    
    
	assert(pos);

	ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	ListNode* posPrev = pos->prev;

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



//双向链表删除pos位置的节点
void ListErase(ListNode* pos)
{
    
    
	assert(pos);

	ListNode* posNext = pos->next;
	ListNode* posPrev = pos->prev;

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


//双向链表的销毁
void ListDestroy(ListNode* pHead)
{
    
    
	assert(pHead);

	ListNode* cur = pHead->next;
	while (cur != pHead)
	{
    
    
		ListNode* curNext = cur->next;
		
		free(cur);
		cur = curNext;
	}
	free(pHead);
}

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总结

以上就是双向链表的实现！！！