数据结构--单向链表

C语言中，我们在使用数组时，会需要对数组进行插入和删除的操作，这时就需要移动大量的数组元素，但在C语言中，数组属于静态内存分配，数组在定义时就必须指定数组的长度或者初始化。这样程序一旦运行，数组的长度就不能再改变，若想改变，就只能修改源代码。实际使用中数组元素的个数也不能超过数组元素的最大长度，否则就会发生下标越界的错误（这是新手在初学C语言时肯定会遇到的问题，相信老师也会反复强调！！！但这种问题肯定会遇到，找半天找不到错误在哪，怪我咯？？？）。另外如果数组元素的使用低于最大长度，又会造成系统资源的浪费，会导致降低空间使用效率。

那有没有更合理的使用系统资源的方法呢？比如，但需要添加一个元素时，程序就可以自动的申请内存空间并添加新的元素，而当需要减少一个元素时，程序又可以自动地释放该元素占用的内存空间。我们聪明的祖先早就意识到了这个问题，于是就有了动态数据结构--链表结构（Linked list）。它主要是利用动态内存分配、使用结构体并配合指针来实现的一种数据结构。

链表有三种不同的类型：单向链表，双向链表以及循环链表。今天我们只对单向链表做详细的说明。

链表中最简单的一种是单向链表，它包含两个域，一个信息域和一个指针域。这个链接指向列表中的下一个节点，而最后一个节点则指向一个空值（NULL）。

单向链表的存储结构

/*单向链表的代码表示*/
struct node
{
    int data;  // 数据域
    struct node *next;  // 指向下一个节点的指针
};

接下来进入正题，分别详细讲一下单向链表的插入、删除节点以及插入节点操作。

1. 单向链表的建立

建立一个单向链表，我们可以使用向链表中添加节点的方式。首先，要为新建的节点动态申请内存空间，让指针变量指向这个新建节点，然后将新建节点添加到链表中，这时，我们需要考虑以下两种情况：

（1）若原链表为空，则将新建节点设置为头节点

（2）若原链表为非空，则将新建节点添加到表尾

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具体代码如下：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

struct link \*AppendNode(struct link \*head);
void DisplayNode(struct link *head);
void DeleteMemory(struct link *head);

struct link {
    int data;
    struct link *next;
};

int main(int argc, char const *argv\[\])
{
    int i = 0;
    char c;
    struct link *head = NULL;   //链表头指针
    printf("Append a new node(y/n)?");
    scanf("%c", &c);

    while(c == 'Y' || c == 'y'){
        head = AppendNode(head);    //向head为头指针的链表末尾添加节点
        DisplayNode(head);
        printf("Append a new node(y/n)?");
        scanf(" %c", &c);
        i++;
    }

    printf("%d new nodes have been appened!\\n");
    DeleteMemory(head);
    return 0;
}

// 新建一个节点并添加到链表末尾，返回添加节点后的链表的头指针
struct link \*AppendNode(struct link \*head){
    struct link \*p = NULL, \*pr = head;
    int data;

    p = (struct link *)malloc(sizeof(struct link)); // 通过malloc函数动态的申请内存，注意结构体占用内存的大小只能用sizeof()获取
    if (p == NULL){
        printf("No enough memory to allocate!\\n");
        exit(0);
    }
    if (head == NULL){  //原链表为空
        head = p;
    }else{              // 原链表为非空，则将新建节点添加到表尾
        while(pr->next != NULL){    // 如果pr指向的不是表尾，则移动pr直到指向表尾
            pr = pr->next;
        }
        pr->next = p;
    }
    printf("Input node data:");
    scanf("%d",&data);      // 输入新建节点的数据
    p->data = data;
    p->next = NULL;         // 将新建节点置为表尾
    return head;
}

// 显示链表中所有的节点
void DisplayNode(struct link *head){
    struct link *p = head;
    int j = 1;
    while(p != NULL){       // p不在表尾，循环打印节点的值
        printf("%5d%10d\\n", j, p->data);
        p = p->next;
        j++;
    }
}

//释放head指向的链表中所有节点占用的内存
void DeleteMemory(struct link *head){
    struct link \*p = head, \*pr = NULL;
    while(p != NULL){   // p不在表尾，释放节点占用的内存
        pr = p;         // 在pr中保存当前节点的指针
        p = p->next;    // p指向下一个节点
        free(pr);       // 释放pr指向的当前节点占用的内存
    }
}

代码运行结果如下：

2. 单向链表的删除操作

链表的删除操作就是将待删除的节点从链表中断开，那么待删除节点的上一个节点就成为尾节点。在删除节点时，我们要考虑一下4种情况：

（1）若原链表为空，则不执行任何操作，直接退出程序

（2）若待删除节点是头节点，则将head指向当前节点的下一个节点，再删除当前节点

（3）若待删除节点不是头节点，则将前一节点的指针域指向当前节点的下一节点，即可删除当前节点。当待删除节点是尾节点时，由于p->next=NULL，因此执行pr->next = p->next后，pr->next的值也变为了NULL，从而使pr所指向的节点由倒数第二个节点变成尾节点。

（4）若待删除的节点不存在，则退出程序

注意：节点被删除后，只表示将它从链表中断开而已，它仍占用着内存，必须要释放这个内存，否则会出现内存泄漏。

删除一个节点的代码如下：

// 从head指向的链表中删除一个节点，返回删除节点后的链表的头指针
struct link \*DeleteNode(struct link \*head, int nodeData)
{
    struct link \*p = head, \*pr = head;
    if (head == NULL)       // 若原链表为空，则退出程序
    {
        printf("Linked Table is empty!\\n");
        return head;
    }
    while(nodeData != p->data && p->next != NULL)   // 未找到待删除节点，且没有到表尾
    {
        pr = p;         // 在pr中保存当前节点的指针
        p = p->next;    // p指向当前节点的下一节点
    }
    if (nodeData == p->data)    // 若当前节点就是待删除节点
    {
        if (p == head)  // 若待删除节点为头节点
        {
            head = p->next;     // 将头指针指向待删除节点的下一节点
        }
        else        // 若待删除节点不是头节点
        {
            pr->next = p->next; // 让前一节点的指针指向待删除节点的下一节点
        }
        free(p);    // 释放为已删除节点分配的内存
    }
    else    // 没有找到节点值为nodeData的节点
    {
        printf("This Node has not been found!\\n");
    }
    return head;        // 返回删除节点后的链表头指针
}

3. 单链表的插入操作

向一个链表中插入一个新节点时，首先要新建一个节点，并将新建节点的指针域初始化为空NULL，然后在链表中寻找适当的位置执行节点插入操作，此时需要考虑下面4种情况：

（1）若原链表为空，则将新建节点p作为头节点，让head指向新节点p

（2）若原链表为非空，折按新建节点的值的大小（假设原链表已按节点值升序排列）确定插入新节点的位置。若在头结点前插入新节点，则将新节点的指针域指向原链表的头结点，并且让head指向新节点p

（3）若在原链表中间插入新节点，则将新节点p的指针域指向下一节点，并且让前一节点的指针域指向新建节点p

（4）若在表尾插入新节点，则将尾节点的指针域指向新节点p

具体代码如下：

// 在已按升序排列的链表中插入一个新节点，返回插入节点后的链表头指针
struct link \*InsertNode(struct link \*head, int nodeData)
{
    struct link \*pr = head, \*p = head, *temp = NULL;
    p = (struct link *)malloc(sizeof(struct link)); // 给新建节点动态申请内存空间
    if (p == NULL)      // 若动态申请内存失败，则退出程序
    {
        printf("No enough memory!\\n");
        exit(0);
    }

    p->next = NULL; // 将新建节点的指针域初始化为空
    p->data = nodeData; // 将新建节点的数据域初始化为nodeData

    if (head == NULL)   // 若原链表为空
    {
        head = p;   // 将新建节点作为头节点
    }
    else    // 若原链表为非空
    {
        // 未找到新建节点的插入位置并且没有到尾节点
        while(pr->data < nodeData && pr->next != NULL)
        {
            temp = pr;  // 在temp中保存当前节点pr的指针
            pr = pr->next;  // pr跳到下一节点
        }
        // 找到需要插入的位置
        if (pr->data >= nodeData)
        {
            if (pr == head) // 若当前节点为头节点，则将新建节点插入头节点之前
            {
                p->next = head; // 将新节点的指针域指向原链表的头节点
                head = p;   // head指向新建节点
            }
            else    // 在原链表中插入新节点
            {
                pr = temp;
                p->next = pr->next; // 新建节点的指针域指向当前节点的下一节点
                pr-next = p;        // 当前节点的下一节点指向新节点
            }
        }
        else    // 新建节点的值为最大值，插在原链表尾部
        {
            pr->next = p;   // 原链表的尾节点指向新节点
        }
    }
    return head;    // 返回插入新节点后的链表的头指针
}

到此，对于单链表的操作已经介绍完了。通过写这篇博客，我也深刻学习了单链表的结构和一些主要操作，在写作的过程中也翻阅了很多资料，让我意识到数据结构的重要性，不懂数据结构，你永远只能当一个码农。