【数据结构】C语言实现不带头结点的循环双链表

r1v0z2023-08-05 10:14

一、什么是循环双链表

循环双链表与单链表的区别就在于第一个节点的 prior 指针和最后一个节点 next 指针的指向；双链表的这两个指针都指向 NULL ，而循环双链表第一个节点的 prior 指向最后一个节点，最后一个节点的 next 指针指向第一个节点

二、操作实现

0. 定义

  • staus 作为返回值的类型，成功返回 EXIT_SUCCESS，失败返回 EXIT_FAILURE（返回值在头文件 stdlib.h 中有定义）
  • 结构体中位链表节点的定义，data 存放数据，prior 指向前一个节点的地址，next 指向下一个节点的地址
c 复制代码 
typedef int status;

// 定义循环双链表的节点
typedef struct DNode
{
    int data;
    struct DNode *prior, *next;
}DNode, *DLinkList;

1. 初始化

初始链表中不存在任何的节点，所以将链表指针指向 NULL

c 复制代码 
DLinkList InitList()
{
    // 一开始并不存在节点，所以执向 NULL
    DLinkList list = NULL;
    return list;
}

2. 头插法

插入时会有两种情况：

  • 第一种情况：链表中没有节点，新建节点，Prior 和 next 都指向自己，最后修改 list 指向新建节点
  • 第二种情况：链表中已经存在节点：
    1. 头插法先创建一个新的节点，并将该节点的 next 指向链表的第一个节点
    2. 将新建节点的 prior 指向链表的最后一个节点
    3. 将链表最后一个节点的 next 指向新建的节点
    4. 修改链表第一个节点的 prior 指向新建的节点
    5. 修改链表指针，使链表指向新建的节点
c 复制代码 
status HeadInsertList(DLinkList* list, int data)
{
    DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
    if(node == NULL)   
        return EXIT_FAILURE;
    
    node->data = data;

    if(*list == NULL)
    {
        // 当链表中没有节点时，将 prior 和 next 指向自己
        node->next = node;
        node->prior = node;
    }
    else
    {
        // 当链表中存在节点时
        node->next = (*list);           // 将节点的 next 指向当前链表的第一个节点
        node->prior = (*list)->prior;   // 节点的 prior 执向链表的最后一个节点，也就是 (*list)->prior 指向的位置
        (*list)->prior->next = node;    // 修改最后一个节点的 next 指向新建节点
        (*list)->prior = node;          // 将链表第一个节点的 prior 执向新建节点
    }
    
    *list = node;                   // 链表指向新的头节点

    return EXIT_SUCCESS;
}

3. 尾插法

尾插法与头插法很像，只是最后不需要修改链表指针指向新建的节点：

  1. 新建节点的 next 指针指向链表的第一个节点
  2. 新建节点的 prior 指针指向链表的最后一个节点
  3. 链表最后一个节点的 next 指向新建节点
  4. 链表第一个节点的 prior 指向新建节点
c 复制代码 
status TailInsertList(DLinkList* list, int data)
{
    DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
    if(node == NULL)   
        return EXIT_FAILURE;
    
    node->data = data;
    
    if(*list == NULL)
    {
        // 当链表中没有节点时，将 prior 和 next 指向自己
        node->next = node;
        node->prior = node;
    }
    else
    {
        // 当链表中存在节点时
        node->next = (*list);           // 将节点的 next 指向当前链表的第一个节点
        node->prior = (*list)->prior;   // 节点的 prior 执向链表的最后一个节点，也就是 (*list)->prior 指向的位置
        (*list)->prior->next = node;    // 修改最后一个节点的 next 指向新建节点
        (*list)->prior = node;          // 将链表第一个节点的 prior 执向新建节点
    }
}

4. 头删法

删除节点时有两种情况：

  • 第一种：链表中只有一个节点，直接释放节点，最后将节点指向 NULL
  • 第二种：链表中存在多个节点
    1. 将链表指针指向下一个节点(也就是链表的第二个节点)
    2. 修改最后一个节点的 next 指向当前 list 指向的节点
    3. 修改 list 指向节点的 prior 指向最后一个节点
    4. 释放旧的头结点(提前创建一个指向该节点的指针)
c 复制代码 
status HeadDeleteList(DLinkList* list)
{
    // 判断链表是否只有一个节点
    if ((*list)->next == *list)
    {
        free(*list);
        *list = NULL;
    }
    else
    {
        DLinkList head = *list;         // head 指向链表的第一个节点
        *list = (*list)->next;          // list 指向下一位，也就是删后的第一个节点
        (*list)->prior = head->prior;   // 修改 list 的 prior 执向最后一个节点
        head->prior->next = *list;      // 修改最后一个节点的 next 指向 list
        free(head);
    }

    return EXIT_SUCCESS;
    
}

5. 尾删法

尾删法和头删法是差不多的，只是要删除的不是 list 指向的节点，而是 list->prior 指向的节点

  1. 新建指针 last 指向链表的最后一个节点
  2. 将最后一个节点的前一个节点的 next 指向第一个节点
  3. 将第一个节点的 prior 指向最后一个节点的前一节点
  4. 释放 last 指向的节点
c 复制代码 
status TailDeleteList(DLinkList* list)
{
    // 判断链表是否只有一个节点
    if ((*list)->next == *list)
    {
        free(*list);
        *list = NULL;
    }
    else
    {
        DLinkList last = (*list)->prior;    // last 指向链表的最后一个节点
        last->prior->next = *list;          // 最后一个节点的前一节点指向第一个节点
        (*list)->prior = last->prior;       // 修改 list 的 prior 执向最后一个节点的前一节点
        free(last);
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

6. 打印链表

打印链表之前需要先判断链表中是否存在节点，如果没有节点，直接打印 NULL，否则：

  1. 新建指针指向当前的第一个节点
  2. 打印该节点的 data，然后指向下一节点
  3. 重复上一步，直到 node 再次指向链表的第一个节点

第二、三步可以使用 do { ... } while() 实现，退出循环的条件就是 node 并不是指向链表第一个节点，因为 do { ... } while() 在判断前会先执行一次，所以当判断时并不会相等

c 复制代码 
status PrintList(DLinkList list)
{
    // 判断链表是否存在节点
    if(list != NULL)
    {
        DNode* node = list;
        do
        {
            printf("%d -> ", node->data);
            node = node->next;      // node 指向下一节点
        } while (node != list);
    }

    printf("NULL\n");

    return EXIT_SUCCESS;
}

7. 按位插入

当要插入的位置是第一位时，需要进行特殊的操作，可以使用之前写的 头插法 完成，当插入的位置不是第一位时：

  1. 创建指针 curNode 将该指针移动到要插入的位置
  2. 创建节点，节点的 next 指向 curNode，prior 指向 curNode 的前一节点
  3. 修改 curNode 前一节点的 next 指向新建节点 node
  4. 修改 curNode 的 prior 指向 node
c 复制代码 
status InsertList(DLinkList* list, int pos, int data)
{
    if(pos < 1)
        return EXIT_FAILURE;

    if(pos == 1)
        return HeadInsertList(list, data);

    int curLocation = 1;        // 当前的位置
    DNode* curNode = *list;     // 当前位置的节点


    // 因为要执行循环时不可能在第一位插入，所以可以使用 do ... while
    do
    {
        curNode = curNode->next;    // 移动到下一节点
        curLocation++;              // 位置加 1
    } while (curNode != *list && curLocation < pos);
    
    // 当 curNode == *list 表示要插入的位置大于链表的长度，当 curLocation 等于 pos 时，表示要在链表的最后一位的后面插入节点，这是可以的
    if (curNode == *list && curLocation != pos)
    {
        return EXIT_FAILURE;
    }
    else
    {
        DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
        if(node == NULL)
            return EXIT_FAILURE;

        node->data = data;

        // 修改 node 的前向指针与后向指针
        node->next = curNode;
        node->prior = curNode->prior;

        curNode->prior->next = node;    // 修改 curNode 的前一节点的 next 指向 node
        curNode->prior = node;          // 修改 curNode 指向的节点的 prior 指向 node
    }
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

8. 按位删除

当要删除第一位时，同样是需要进行特殊操作的，可以使用 头删法 完成，当要删除其他位置的节点时：

  1. 创建指针指 curNode 移动到要删除的节点
  2. 修改 curNode 后一节点的 prior 指针
  3. 修改 curNode 前一节点的 next 指针
  4. 删除 curNode 指向的节点
c 复制代码 
status DeleteList(DLinkList* list, int pos)
{
    if(pos < 1)
        return EXIT_FAILURE;

    if(pos == 1)
        return HeadDeleteList(list);

    int curLocation = 1;
    DNode* curNode = *list;

    // 移动 curNode 指向要删除的节点
    while (curNode->next != *list && curLocation < pos)
    {
        curLocation++;
        curNode = curNode->next;
    }
    
    if(curLocation != pos)      // 当遍历了整个链表，还是无法到达 pos，则表示无法删除该节点
    {
        return EXIT_FAILURE;
    }
    else
    {
        curNode->next->prior = curNode->prior;  // 修改 curNode 的后一节点的 prior
        curNode->prior->next = curNode->next;   // 修改 curNode 的前一节点的 next
        free(curNode);
    }
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

9. 查找链表中是否有指定的值

  1. 创建指针 curNode 指向第一个节点
  2. 判断 curNode 指向节点的数据是否与要查找的数据相同，相同则返回，不相同则移动到下一节点
  3. 重复上一步，直到 curNode 再次移动到第一个节点，此时没有匹配的值返回 NULL
c 复制代码 
DNode* GetElem(DLinkList list, int data)
{
    DNode* curNode = list;
    do
    {
        if (curNode->data == data)  // 判断当前节点的数据是否与查找的数据相同
            return curNode;

        curNode = curNode->next;    // 移动到下一节点
    } while (curNode != list);
    

    return NULL;
}

10. 销毁链表

销毁链表就是将链表中的全部节点都删除，也就是循环释放链表中的节点，直到链表中没有节点，将链表中的节点全部删除后，要把链表指针指向 NULL，这可以避免野指针

c 复制代码 
status DestroyList(DLinkList* list)
{
    // 当链表不存在节点时返回失败
    if (*list == NULL)
        return EXIT_FAILURE;
    

    DNode* curNode = (*list);   // 指向要删除的节点
    DNode* nextNode = NULL;     // 指向要删除节点的下一个节点

    do
    {
        // nextNode 指向下一节点，释放 curNode 指向的节点，最后移动curNode指向下一节点
        nextNode = curNode->next;
        free(curNode);
        curNode = nextNode;
    } while (curNode != *list);
    
    *list = NULL;               // 销毁链表后将链表指向 NULL，防止再次使用
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

三、完整代码

LoopDLinkList.h

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

typedef int status;

// 定义循环双链表的节点
typedef struct DNode
{
    int data;
    struct DNode *prior, *next;
}DNode, *DLinkList;

// 初始化
DLinkList InitList();

// 销毁链表
status DestroyList(DLinkList* list);

// 头插法
status HeadInsertList(DLinkList* list, int data);

// 尾插法
status TailInsertList(DLinkList* list, int data);

// 头删法
status HeadDeleteList(DLinkList* list);

// 尾删法
status TailDeleteList(DLinkList* list);

// 打印链表
status PrintList(DLinkList list);

// 按位插入
status InsertList(DLinkList* list, int pos, int data);

// 按位删除
status DeleteList(DLinkList* list, int pos);

// 按值查找
DNode* GetElem(DLinkList list, int data);

LoopDLinkList.c

c 复制代码 
#include "./LoopDlinkList.h"

// 初始化
DLinkList InitList()
{
    // 一开始并不存在节点，所以执向 NULL
    DLinkList list = NULL;
    return list;
}

// 销毁链表
status DestroyList(DLinkList* list)
{
    // 当链表不存在节点时返回失败
    if (*list == NULL)
        return EXIT_FAILURE;
    

    DNode* curNode = (*list);   // 指向要删除的节点
    DNode* nextNode = NULL;     // 指向要删除节点的下一个节点

    do
    {
        // nextNode 指向下一节点，释放 curNode 指向的节点，最后移动curNode指向下一节点
        nextNode = curNode->next;
        free(curNode);
        curNode = nextNode;
    } while (curNode != *list);
    
    *list = NULL;               // 销毁链表后将链表指向 NULL，防止再次使用
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

// 头插法
status HeadInsertList(DLinkList* list, int data)
{
    DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
    if(node == NULL)   
        return EXIT_FAILURE;
    
    node->data = data;

    if(*list == NULL)
    {
        // 当链表中没有节点时，将 prior 和 next 指向自己
        node->next = node;
        node->prior = node;
    }
    else
    {
        // 当链表中存在节点时
        node->next = (*list);           // 将节点的 next 指向当前链表的第一个节点
        node->prior = (*list)->prior;   // 节点的 prior 执向链表的最后一个节点，也就是 (*list)->prior 指向的位置
        (*list)->prior->next = node;    // 修改最后一个节点的 next 指向新建节点
        (*list)->prior = node;          // 将链表第一个节点的 prior 执向新建节点
    }
    
    *list = node;                   // 链表指向新的头节点

    return EXIT_SUCCESS;
}

// 尾插法
status TailInsertList(DLinkList* list, int data)
{
    DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
    if(node == NULL)   
        return EXIT_FAILURE;
    
    node->data = data;
    
    if(*list == NULL)
    {
        // 当链表中没有节点时，将 prior 和 next 指向自己
        node->next = node;
        node->prior = node;
    }
    else
    {
        // 当链表中存在节点时
        node->next = (*list);           // 将节点的 next 指向当前链表的第一个节点
        node->prior = (*list)->prior;   // 节点的 prior 执向链表的最后一个节点，也就是 (*list)->prior 指向的位置
        (*list)->prior->next = node;    // 修改最后一个节点的 next 指向新建节点
        (*list)->prior = node;          // 将链表第一个节点的 prior 执向新建节点
    }
}

// 头删法
status HeadDeleteList(DLinkList* list)
{
    // 判断链表是否只有一个节点
    if ((*list)->next == *list)
    {
        free(*list);
        *list = NULL;
    }
    else
    {
        DLinkList head = *list;         // head 指向链表的第一个节点
        *list = (*list)->next;          // list 指向下一位，也就是删后的第一个节点
        (*list)->prior = head->prior;   // 修改 list 的 prior 执向最后一个节点
        head->prior->next = *list;      // 修改最后一个节点的 next 指向 list
        free(head);
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

// 尾删法
status TailDeleteList(DLinkList* list)
{
    // 判断链表是否只有一个节点
    if ((*list)->next == *list)
    {
        free(*list);
        *list = NULL;
    }
    else
    {
        DLinkList last = (*list)->prior;    // last 指向链表的最后一个节点
        last->prior->next = *list;          // 最后一个节点的前一节点指向第一个节点
        (*list)->prior = last->prior;       // 修改 list 的 prior 执向最后一个节点的前一节点
        free(last);
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}


// 打印链表
status PrintList(DLinkList list)
{
    // 判断链表是否存在节点
    if(list != NULL)
    {
        DNode* node = list;
        do
        {
            printf("%d -> ", node->data);
            node = node->next;      // node 指向下一节点
        } while (node != list);
    }

    printf("NULL\n");

    return EXIT_SUCCESS;
}

// 按位插入
status InsertList(DLinkList* list, int pos, int data)
{
    if(pos < 1)
        return EXIT_FAILURE;

    if(pos == 1)
        return HeadInsertList(list, data);

    int curLocation = 1;        // 当前的位置
    DNode* curNode = *list;     // 当前位置的节点


    // 因为要执行循环时不可能在第一位插入，所以可以使用 do ... while
    do
    {
        curNode = curNode->next;    // 移动到下一节点
        curLocation++;              // 位置加 1
    } while (curNode != *list && curLocation < pos);
    
    // 当curLocation 等于 pos 时，表示可以在链表中插入，不相等则表示要插入的位置大于链表的长度 + 1
    if (curLocation != pos)
    {
        return EXIT_FAILURE;
    }
    else
    {
        DNode* node = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
        if(node == NULL)
            return EXIT_FAILURE;

        node->data = data;

        // 修改 node 的前向指针与后向指针
        node->next = curNode;
        node->prior = curNode->prior;

        curNode->prior->next = node;    // 修改 curNode 的前一节点的 next 指向 node
        curNode->prior = node;          // 修改 curNode 指向的节点的 prior 指向 node
    }
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

// 按位删除
status DeleteList(DLinkList* list, int pos)
{
    if(pos < 1)
        return EXIT_FAILURE;

    if(pos == 1)
        return HeadDeleteList(list);

    int curLocation = 1;
    DNode* curNode = *list;

    // 移动 curNode 指向要删除的节点
    while (curNode->next != *list && curLocation < pos)
    {
        curLocation++;
        curNode = curNode->next;
    }
    
    if(curLocation != pos)      // 当遍历了整个链表，还是无法到达 pos，则表示无法删除该节点
    {
        return EXIT_FAILURE;
    }
    else
    {
        curNode->next->prior = curNode->prior;  // 修改 curNode 的后一节点的 prior
        curNode->prior->next = curNode->next;   // 修改 curNode 的前一节点的 next
        free(curNode);
    }
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

// 按值查找
DNode* GetElem(DLinkList list, int data)
{
    DNode* curNode = list;
    do
    {
        if (curNode->data == data)  // 判断当前节点的数据是否与查找的数据相同
            return curNode;

        curNode = curNode->next;    // 移动到下一节点
    } while (curNode == list);
    

    return NULL;
}
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