数据结构之双向链表

快乐的流畅2023-11-12 8:27

目录

引言

链表的分类

双向链表的结构

双向链表的实现

定义

创建新节点

初始化

打印

尾插

头插

判断链表是否为空

尾删

头删

查找与修改

指定插入

指定删除

销毁

顺序表和双向链表的优缺点分析

源代码

dlist.h

dlist.c

test.c

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

  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。另外这种结构在 笔试面试 中出现很多。
  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。
    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 复制代码 
#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 复制代码 
#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 复制代码 
#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;
}
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