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引言
数据结构之路在链表章节,前面介绍过单链表,今天我们来介绍最复杂的链表------双向链表(Double Linked List)
链表的分类
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 : 单链表 和 双向带头循环链表
- 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。另外这种结构在 笔试面试 中出现很多。
- 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。
前面我们讲的单链表,就是无头单向非循环链表,而现在讲的双向链表,就是带头双向循环链表。
双向链表的结构
注意: 这里的 "带头" 跟前面我们说的"头节点"是两个概念,实际前面的在单链表阶段称呼不严谨,但是为了同学们更好的理解就直接称为单链表的头节点。
带头链表里的头节点,实际为"哨兵位" ,哨兵位节点 不存储任何有效元素 ,只是站在这里"放哨的"
"哨兵位"存在的意义:
遍历循环链表避免死循环
双向链表的实现
定义
与单链表不同,一个节点里有两个指针,分别指向前节点和后节点,实现双向
创建新节点
创建新节点与单链表大致相同,抽离成函数方便创建节点
初始化
双向链表与单链表很大区别,就是在于初始化,创建哨兵位,而哨兵位不存储有效数据,所有这里存入-1,并让prev和next指针都指向自身
打印
首先assert断言,因为phead指向哨兵位,一定不为空,其次因为双向循环链表里没有NULL,所有停止条件就看哨兵位,当cur指针的下一个为哨兵位时,就代表走到尾部了
尾插
双向循环结构在空链表插入时,带来了极大的便利。因为prev指针的存在,使得找尾十分方便,不用遍历链表,直接访问哨兵位的上一个节点即可
如果是单链表,是不是还要讨论空链表的特殊情况啊?但是,在双向循环链表中,上述代码就可包含所有情况。因为哨兵位的存在,使得链表一定不为空。
同时,因为哨兵位的存在,我们不用传二级指针了,只用对结构体进行操作。怎么样,有没有发现双向链表的巨大优势?
运行结果
头插
头插时,要注意的就是要先链接后一个节点,再链接前一个节点
运行结果
判断链表是否为空
删除值得注意的是,不能删除哨兵位,要不然后续都无法对链表进行操作,所以专门写个函数来判断除了哨兵位链表是否为空,再用assert断言返回值
如果phead和phead->next相等,则为空,返回1,即为真 ;不相等,则不为空,返回0,即为假
尾删
经历过单链表,双向链表的尾删就显得太简单了。找尾tail直接往phead的上一位,同时创建tailPrev,在释放尾部节点后,双向链接哨兵位
运行结果
头删
同样,双向链表的头删也很简单。 找头first往phead的下一位,再创建second,在释放头部空间后,双向链接哨兵位
运行结果
查找与修改
双向链表的查找,找到返回地址,找不到返回NULL。要注意的是从哨兵位的下一位开始找,因为哨兵位是不存储有效数据的,直到重新找到哨兵位
运行结果
查找到地址后,就可以对其 解引用 访问,进行 修改
指定插入
在pos前插入
在双向链表,找到pos的上一个节点的地址prev太简单了
运行结果
在这里可以复用指定插入函数,快速实现头插和尾插
头插
尾插
指定删除
创建posPrev和posNext两个指针,释放掉pos的节点空间,再相互链接
在pos删除
运行结果
在这里也可以复用指定删除函数,快速实现头删和尾删
头删
尾删
大家有没有发现,因为双向链表存在哨兵位,链表不为空,省去了很多关于空链表和空指针的讨论,一路下来浑身舒畅
销毁
双向链表的销毁,值得注意的是最后哨兵位也要释放掉,因为为了保持用一级指针的连贯性,所以我们选择最后手动在外部将链表指针置为NULL,实现半自动(和free函数的逻辑一致)
运行结果
这样我们就完成了对双向链表的增删查改等功能的实现
顺序表和双向链表的优缺点分析
我们看到,双向链表的好处是如此巨大的,那是否就代表前面学的顺序表就很low呢?
| 不同点 | 顺序表 | 链表 |
| 存储空间上 | 物理上一定连续 | 逻辑上连续,但物理上不一定连续 |
| 随机访问 | 支持O(1) | 不支持:O(N) |
| 任意位置插入或者删除元素 | 可能需要搬移元素,效率低O(N) | 只需修改指针指向 |
| 插入 | 动态顺序表,空间不够时需要扩容 | 没有容量的概念 |
应用场景 | 元素高效存储+频繁访问 | 任意位置插入和删除频繁 |
---|
源代码
dlist.h
cpp
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
typedef int DLDataType;
typedef struct DListNode
{
struct DListNode* prev;
struct DListNode* next;
DLDataType data;
}DLNode;
//初始化
DLNode* DLInit();
//打印
void DLPrint(DLNode* phead);
//销毁
void DLDestroy(DLNode* phead);
//检测链表是否为空
bool DLEmpty(DLNode* phead);
//尾插
void DLPushBack(DLNode* phead, DLDataType x);
//尾删
void DLPopBack(DLNode* phead);
//头插
void DLPushFront(DLNode* phead, DLDataType x);
//头删
void DLPopFront(DLNode* phead);
//查找
DLNode* DLFind(DLNode* phead, DLDataType x);
//在pos前指定插入
void DLInsert(DLNode* pos, DLDataType x);
//在pos指定删除
void DLErase(DLNode* pos);
dlist.c
cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"dlist.h"
DLNode* BuyDLNode(DLDataType x)
{
DLNode* newnode = (DLNode*)malloc(sizeof(DLNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc fail");
return NULL;
}
newnode->data = x;
newnode->prev = NULL;
newnode->next = NULL;
return newnode;
}
DLNode* DLInit()
{
DLNode* phead = BuyDLNode(-1);
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
void DLPrint(DLNode* phead)
{
assert(phead);
DLNode* cur = phead;
printf("Guard");
while (cur->next != phead)
{
cur = cur->next;
printf("<==>%d", cur->data);
}
printf("\n");
}
bool DLEmpty(DLNode* phead)
{
assert(phead);
return phead == phead->next;
}
void DLPushBack(DLNode* phead, DLDataType x)
{
assert(phead);
DLInsert(phead, x);
//DLNode* newnode = BuyDLNode(x);
//DLNode* tail = phead->prev;
//
//tail->next = newnode;
//newnode->prev = tail;
//phead->prev = newnode;
//newnode->next = phead;
}
void DLPopBack(DLNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!DLEmpty(phead));
DLErase(phead->prev);
//DLNode* tail = phead->prev;
//DLNode* tailPrev = tail->prev;
//
//free(tail);
//tailPrev->next = phead;
//phead->prev = tailPrev;
}
void DLPushFront(DLNode* phead, DLDataType x)
{
assert(phead);
DLInsert(phead->next, x);
//DLNode* newnode = BuyDLNode(x);
//DLNode* first = phead->next;
//newnode->next = first;
//first->prev = newnode;
//phead->next = newnode;
//newnode->prev = phead;
}
void DLPopFront(DLNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!DLEmpty(phead));
DLErase(phead->next);
//DLNode* first = phead->next;
//DLNode* second = first->next;
//second->prev = phead;
//phead->next = second;
//free(first);
}
DLNode* DLFind(DLNode* phead, DLDataType x)
{
assert(phead);
DLNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
void DLInsert(DLNode* pos, DLDataType x)
{
assert(pos);
DLNode* newnode = BuyDLNode(x);
DLNode* prev = pos->prev;
prev->next = newnode;
newnode->prev = prev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
void DLErase(DLNode* pos)
{
assert(pos);
DLNode* posPrev = pos->prev;
DLNode* posNext = pos->next;
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
free(pos);
}
void DLDestroy(DLNode* phead)
{
assert(phead);
DLNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
DLNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
}
test.c
cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"dlist.h"
TestDList1()
{
DLNode* plist = DLInit();
//尾插
DLPushBack(plist, 1);
DLPushBack(plist, 2);
DLPushBack(plist, 3);
DLPushBack(plist, 4);
DLPushBack(plist, 5);
//头插
DLPushFront(plist, 1);
DLPushFront(plist, 2);
DLPushFront(plist, 3);
DLPushFront(plist, 4);
DLPushFront(plist, 5);
//打印
DLPrint(plist);
}
TestDList2()
{
DLNode* plist = DLInit();
//尾插
DLPushBack(plist, 1);
DLPushBack(plist, 2);
DLPushBack(plist, 3);
DLPushBack(plist, 4);
DLPushBack(plist, 5);
//头删
DLPopFront(plist);
DLPopFront(plist);
DLPopFront(plist);
//打印
DLPrint(plist);
}
TestDList3()
{
DLNode* plist = DLInit();
//头插
DLPushFront(plist, 1);
DLPushFront(plist, 2);
DLPushFront(plist, 3);
DLPushFront(plist, 4);
DLPushFront(plist, 5);
//尾删
DLPopBack(plist);
DLPopBack(plist);
DLPopBack(plist);
//打印
DLPrint(plist);
}
TestDList4()
{
DLNode* plist = DLInit();
//头插
DLPushFront(plist, 1);
DLPushFront(plist, 2);
DLPushFront(plist, 3);
DLPushFront(plist, 4);
DLPushFront(plist, 5);
//查找与修改
DLNode* pos = DLFind(plist, 4);
if (pos != NULL)
{
pos->data = 40;
//在pos前指定插入
DLInsert(pos, 100);
}
//打印
DLPrint(plist);
}
TestDList5()
{
DLNode* plist = DLInit();
//头插
DLPushFront(plist, 1);
DLPushFront(plist, 2);
DLPushFront(plist, 3);
DLPushFront(plist, 4);
DLPushFront(plist, 5);
//查找与修改
DLNode* pos = DLFind(plist, 4);
if (pos != NULL)
{
pos->data = 40;
//在pos指定删除
DLErase(pos);
}
//打印
DLPrint(plist);
}
TestDList6()
{
DLNode* plist = DLInit();
//尾插
DLPushBack(plist, 1);
DLPushBack(plist, 2);
//头插
DLPushFront(plist, 1);
DLPushFront(plist, 2);
//打印
DLPrint(plist);
//销毁
DLDestroy(plist);
plist = NULL;
}
int main()
{
TestDList6();
return 0;
}