大话数据结构系列之单链表（三.2）

定义

数据域与指针域

为了表示每个数据元素 a[i] 与其直接后继数据元素 a[i+1] 之间的逻辑关系，对数据元素a[i] 来说，除了存储其本身的信息之外，还需存储一个指示其直接后继的信息（即直接后继的存储位置）。
我们把存储数据元素信息的域称为数据域。
把存储后继位置的域称为指针域。

节点

数据域与指针域组成的数据元素的存储映像，称为节点（ Node ）。

指针

链表中第一个节点的存储位置叫做头指针
链表中最后一个节点的存储位置叫做尾指针

单链表

n 个节点链接成一个链表，即为线性表的链式存储结构，因为此链表的每个节点只包含一个指针域，所以叫做单链表

单链表 VS 顺序存储结构

存储分配方式

• 顺序存储结构用一端连续的存储单元一次存储线性表的数据元素
• 单链表采用链式存储结构，用一组任一的存储单元存放线性表的元素

时间性能

• 查找：顺序存储结构（ O[1] ）；单链表（ O[n] ）
• 插入和删除
  顺序存储结构需要平均移动表长一般的元素，时间为 O[n]/2。
  单链表在找出某位置的指针后，插入和删除时的时间仅为 O[1]。

空间性能

• 顺序存储结构需要预分配存储空间
• 单链表不需要，元素个数不受限制，可以动态分配

链表的增删一定比顺序存储结构快么？

链表的（增加）删除过程：通过遍历找到指定节点的位置（ O[n] ），而后在进行操作（ O[1] ）
顺序存储结构的（增加）删除过程：通过数组下标找到指定节点的位置（ O[1] ）,在执行元素的（后移）前移操作（ O[n] ）
总结：
并不是说在任何情况下链表的插入和删除效率都要比数组的高，而是链表插入删除的最差时间复杂度也就是O（n）
而在已得到要操作的结点的引用时，它就能省去遍历的步骤直接插入删除，时间复杂度为O（1）

LinkListnode2=node->next;
node->data=node2->data;//移交元素
node->next=node2->next;//移交指针
free(node2);//释放目标删除结点后一个节点的内存
node2=NULL;//置空指针

 待研究Java中的链式结构，应该类似，待查证 

代码实现（ C 、Java ）

C 语言

#include "stdio.h"    
#include "string.h"
#include "ctype.h"      
#include "stdlib.h"   
#include "math.h"  
#include "time.h"

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

#define MAXSIZE 20 /* 存储空间初始分配量 */

typedef int Status;/* Status是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如OK等 */
typedef int ElemType;/* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为int */


Status visit(ElemType c)
{
    printf("%d ",c);
    return OK;
}

typedef struct Node
{
    ElemType data;
    struct Node *next;
}Node;
typedef struct Node *LinkList; /* 定义LinkList */

/* 初始化顺序线性表 */
Status InitList(LinkList *L) 
{ 
    *L=(LinkList)malloc(sizeof(Node)); /* 产生头结点,并使L指向此头结点 */
    if(!(*L)) /* 存储分配失败 */
            return ERROR;
    (*L)->next=NULL; /* 指针域为空 */

    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：若L为空表，则返回TRUE，否则返回FALSE */
Status ListEmpty(LinkList L)
{ 
    if(L->next)
            return FALSE;
    else
            return TRUE;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：将L重置为空表 */
Status ClearList(LinkList *L)
{ 
    LinkList p,q;
    p=(*L)->next;           /*  p指向第一个结点 */
    while(p)                /*  没到表尾 */
    {
        q=p->next;
        free(p);
        p=q;
    }
    (*L)->next=NULL;        /* 头结点指针域为空 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：返回L中数据元素个数 */
int ListLength(LinkList L)
{
    int i=0;
    LinkList p=L->next; /* p指向第一个结点 */
    while(p)
    {
        i++;
        p=p->next;
    }
    return i;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：用e返回L中第i个数据元素的值 */
Status GetElem(LinkList L,int i,ElemType *e)
{
    int j;
    LinkList p;     /* 声明一结点p */
    p = L->next;        /* 让p指向链表L的第一个结点 */
    j = 1;      /*  j为计数器 */
    while (p && j<i)  /* p不为空或者计数器j还没有等于i时，循环继续 */
    {   
        p = p->next;  /* 让p指向下一个结点 */
        ++j;
    }
    if ( !p || j>i ) 
        return ERROR;  /*  第i个元素不存在 */
    *e = p->data;   /*  取第i个元素的数据 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：返回L中第1个与e满足关系的数据元素的位序。 */
/* 若这样的数据元素不存在，则返回值为0 */
int LocateElem(LinkList L,ElemType e)
{
    int i=0;
    LinkList p=L->next;
    while(p)
    {
        i++;
        if(p->data==e) /* 找到这样的数据元素 */
                return i;
        p=p->next;
    }

    return 0;
}


/* 初始条件：顺序线性表L已存在,1≤i≤ListLength(L)， */
/* 操作结果：在L中第i个位置之前插入新的数据元素e，L的长度加1 */
Status ListInsert(LinkList *L,int i,ElemType e)
{ 
    int j;
    LinkList p,s;
    p = *L;   
    j = 1;
    while (p && j < i)     /* 寻找第i个结点 */
    {
        p = p->next;
        ++j;
    } 
    if (!p || j > i) 
        return ERROR;   /* 第i个元素不存在 */
    s = (LinkList)malloc(sizeof(Node));  /*  生成新结点(C语言标准函数) */
    s->data = e;  
    s->next = p->next;      /* 将p的后继结点赋值给s的后继  */
    p->next = s;          /* 将s赋值给p的后继 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
/* 操作结果：删除L的第i个数据元素，并用e返回其值，L的长度减1 */
Status ListDelete(LinkList *L,int i,ElemType *e) 
{ 
    int j;
    LinkList p,q;
    p = *L;
    j = 1;
    while (p->next && j < i)    /* 遍历寻找第i个元素 */
    {
        p = p->next;
        ++j;
    }
    if (!(p->next) || j > i) 
        return ERROR;           /* 第i个元素不存在 */
    q = p->next;
    p->next = q->next;          /* 将q的后继赋值给p的后继 */
    *e = q->data;               /* 将q结点中的数据给e */
    free(q);                    /* 让系统回收此结点，释放内存 */
    return OK;
}

/* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
/* 操作结果：依次对L的每个数据元素输出 */
Status ListTraverse(LinkList L)
{
    LinkList p=L->next;
    while(p)
    {
        visit(p->data);
        p=p->next;
    }
    printf("\n");
    return OK;
}

/*  随机产生n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L（头插法） */
void CreateListHead(LinkList *L, int n) 
{
    LinkList p;
    int i;
    srand(time(0));                         /* 初始化随机数种子 */
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    (*L)->next = NULL;                      /*  先建立一个带头结点的单链表 */
    for (i=0; i<n; i++) 
    {
        p = (LinkList)malloc(sizeof(Node)); /*  生成新结点 */
        p->data = rand()%100+1;             /*  随机生成100以内的数字 */
        p->next = (*L)->next;    
        (*L)->next = p;                     /*  插入到表头 */
    }
}

/*  随机产生n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L（尾插法） */
void CreateListTail(LinkList *L, int n) 
{
    LinkList p,r;
    int i;
    srand(time(0));                      /* 初始化随机数种子 */
    *L = (LinkList)malloc(sizeof(Node)); /* L为整个线性表 */
    r=*L;                                /* r为指向尾部的结点 */
    for (i=0; i<n; i++) 
    {
        p = (Node *)malloc(sizeof(Node)); /*  生成新结点 */
        p->data = rand()%100+1;           /*  随机生成100以内的数字 */
        r->next=p;                        /* 将表尾终端结点的指针指向新结点 */
        r = p;                            /* 将当前的新结点定义为表尾终端结点 */
    }
    r->next = NULL;                       /* 表示当前链表结束 */
}

int main()
{        
    LinkList L;
    ElemType e;
    Status i;
    int j,k;
    i=InitList(&L);
    printf("初始化L后：ListLength(L)=%d\n",ListLength(L));
    for(j=1;j<=5;j++)
            i=ListInsert(&L,1,j);
    printf("在L的表头依次插入1～5后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("ListLength(L)=%d \n",ListLength(L));
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)\n",i);

    i=ClearList(&L);
    printf("清空L后：ListLength(L)=%d\n",ListLength(L));
    i=ListEmpty(L);
    printf("L是否空：i=%d(1:是 0:否)\n",i);

    for(j=1;j<=10;j++)
            ListInsert(&L,j,j);
    printf("在L的表尾依次插入1～10后：L.data=");
    ListTraverse(L); 

    printf("ListLength(L)=%d \n",ListLength(L));

    ListInsert(&L,1,0);
    printf("在L的表头插入0后：L.data=");
    ListTraverse(L); 
    printf("ListLength(L)=%d \n",ListLength(L));

    GetElem(L,5,&e);
    printf("第5个元素的值为：%d\n",e);
    for(j=3;j<=4;j++)
    {
            k=LocateElem(L,j);
            if(k)
                    printf("第%d个元素的值为%d\n",k,j);
            else
                    printf("没有值为%d的元素\n",j);
    }
    

    k=ListLength(L); /* k为表长 */
    for(j=k+1;j>=k;j--)
    {
            i=ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第j个数据 */
            if(i==ERROR)
                    printf("删除第%d个数据失败\n",j);
            else
                    printf("删除第%d个的元素值为：%d\n",j,e);
    }
    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    j=5;
    ListDelete(&L,j,&e); /* 删除第5个数据 */
    printf("删除第%d个的元素值为：%d\n",j,e);

    printf("依次输出L的元素：");
    ListTraverse(L); 

    i=ClearList(&L);
    printf("\n清空L后：ListLength(L)=%d\n",ListLength(L));
    CreateListHead(&L,20);
    printf("整体创建L的元素(头插法)：");
    ListTraverse(L); 
    
    i=ClearList(&L);
    printf("\n删除L后：ListLength(L)=%d\n",ListLength(L));
    CreateListTail(&L,20);
    printf("整体创建L的元素(尾插法)：");
    ListTraverse(L); 
    return 0;
}

Java 语言

package com.example;

public class LinkList<T> {

    //是否可以泛型中嵌套泛型？ 遗留
    @SuppressWarnings("hiding")
    class Node<T> {
    
        protected Node<T> next;
        
        protected T data;
        
        public Node(T data){
            this.data = data;
        }
    }
    /* 产生头结点 */
    public Node<T> head;
    
    /*线性表长度 */
    private int size;
    
    /* 初始化顺序线性表 */
    void initList(LinkList<T> list){
        list.head = new Node<T>(null);
        list.size = 1;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：若L为空表，则返回TRUE，否则返回FALSE */
    boolean listEmpty(LinkList<T> list){
        if(list.size==0)
            return true;
        else
            return false;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：将L重置为空表 */
    int clearList(LinkList<T> list){
        //无法做到像C语言中的free()，直接放到内存空间
        list = new LinkList<T>();
        return 1;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在。操作结果：返回L中数据元素个数 */
    int listLength(LinkList<T> list){
        int i =0;
        Node<T> tempNode = list.head;
        while(tempNode.next != null){
            tempNode=tempNode.next;
            i++;
        }
        return i;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
    /* 操作结果：用e返回L中第i个数据元素的值 */
    T getElem(LinkList<T> list, int index){
        T data;
        int position = 0;
        Node<T> current = head;
        if(index>=0 && index<size){
            while(position != index){
                current = current.next;
                position++;
            }
            data = (T)current.data;
        }else{
            throw new IndexOutOfBoundsException("超出链表长度");
        }
        return data;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
    /* 操作结果：返回L中第1个与e满足关系的数据元素的位序。 */
    /* 若这样的数据元素不存在，则返回值为0 */
    int locateElem(LinkList<T> list, T e){
        int temp =0;
        Node<T> tempNode = head;
        while(e != tempNode.data && temp < size-1){
            tempNode = tempNode.next;
            temp++;
        }
        if(e == tempNode.data){
            return temp;
        }else{
             System.out.println("未找到！");
             return -1;
        }
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在,1≤i≤ListLength(L)， */
    /* 操作结果：在L中第i个位置之前插入新的数据元素e，L的长度加1 */
    int listInsert(LinkList<T> list, int index, T elem){
        Node<T> preNode = head;
        int position = 0;
        if(index<0 || index > size){
            throw new IndexOutOfBoundsException("index 位置不合法");
        }else{
            while(position !=index ){
                    preNode = preNode.next;
                    position++;
            }
            Node<T> newNode = new Node<T>(elem);
            newNode.next=preNode.next;
            preNode.next=newNode;
            size++;
        }
        return 1;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在，1≤i≤ListLength(L) */
    /* 操作结果：删除L的第i个数据元素，并用e返回其值，L的长度减1 */
    public void listDelete(LinkList<T> list,int index){
        int position = 0;
        Node<T> preNode = list.head;
        if(index<0 || index > list.size-1){
            throw new IndexOutOfBoundsException("超出链表长度");
        }else{
            while(position != index-1){
                    preNode = preNode.next;
                    position++;
            }
            preNode.next=preNode.next.next;
        }
        list.size--;
    }
    
    /* 初始条件：顺序线性表L已存在 */
    /* 操作结果：依次对L的每个数据元素输出 */
    void listTraverse(LinkList<T> list){
        int position = 0;
        Node<T> tempNode = head;
        while(position != size){
            System.out.println(tempNode.data);
            tempNode = tempNode.next;
            position++;
        }
    }
    
    /*（尾插法）*/
     public void addFromTail(T data){
         Node<T> newNode = new Node<T>(data);
         Node<T> tempNode = head;
         int position = 0;
         if(head!=null){
             while(position != size-1){
                 tempNode = tempNode.next;
                 position++;
             }
             //此时tempNode为最后一个
             newNode.next = tempNode.next;
             tempNode.next = newNode;
         }else{
             newNode.next = head;
             head = newNode;
         }
         size++;
     }
     
     /*（头插法）*/
     public void addFromHead(T data){
         Node<T> newNode = new Node<T>(data);
         newNode.next=head;
         head=newNode;
         size++;
     }
     
     public static void main(String[] args){
            LinkList<Integer> L = new LinkList<Integer>();
            Integer e;
            int j,k;
            L.initList(L);
            System.out.println("初始化L后：ListLength(L)=%d\n"+L.listLength(L));
            for(j=1;j<=5;j++)
                    L.listInsert(L,j-1,j);
            System.out.println("在L的表头依次插入1～5后：L.data=");
            L.listTraverse(L); 
            System.out.println("ListLength(L)=%d \n"+L.listLength(L));
            System.out.println("L是否空：i=%d(1:是 0:否)\n"+L.listEmpty(L));

            L.clearList(L);
            System.out.println("清空L后：ListLength(L)=%d\n"+L.listLength(L));
            System.out.println("L是否空：i=%d(1:是 0:否)\n"+L.listEmpty(L));

            for(j=1;j<=10;j++)
                    L.listInsert(L,j,j);
            System.out.println("在L的表尾依次插入1～10后：L.data=");
            L.listTraverse(L); 

            System.out.println("ListLength(L)=%d \n"+L.listLength(L));

            L.listInsert(L,1,0);
            System.out.println("在L的表头插入0后：L.data=");
            L.listTraverse(L); 
            System.out.println("ListLength(L)=%d \n"+L.listLength(L));

            e = L.getElem(L,5);
            System.out.println("第5个元素的值为：%d\n"+e);
            for(j=3;j<=4;j++)
            {
                    k=L.locateElem(L,j);
                     System.out.println("第%d个元素的值为%d\n"+k);
            }
            
            k=L.listLength(L); /* k为表长 */
            for(j=k+1;j>=k;j--)
            {
                    L.listDelete(L,j-1); /* 删除第j个数据 */
            }
            System.out.println("依次输出L的元素：");
            L.listTraverse(L); 

            j=5;
            L.listDelete(L,j); /* 删除第5个数据 */
            System.out.println("删除第%d个的元素值为：%d\n"+j+e);

            System.out.println("依次输出L的元素：");
            L.listTraverse(L); 

            L.clearList(L);
            System.out.println("\n清空L后：ListLength(L)=%d\n"+L.listLength(L));
            L.addFromHead(20);
            System.out.println("整体创建L的元素(头插法)：");
            L.listTraverse(L); 
            
            L.clearList(L);
            System.out.println("\n删除L后：ListLength(L)=%d\n"+L.listLength(L));
            L.addFromTail(20);
            System.out.println("整体创建L的元素(尾插法)：");
            L.listTraverse(L); 
     }
}