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 firstphead->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 posprev->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：