数据结构—链表

做程序员的第一天2023-11-23 12:51

链表结构-----"银行自助叫号"

链表（Linked List）是一种常见的数据结构，用于存储一个序列的元素。它由一系列结点组成，每个结点包含两个部分：数据部分和指针部分。数据部分存储着当前结点的数据，而指针部分则存储着下一个结点的地址。

链表可以分为单向链表、双向链表和循环链表等几种类型。其中单向链表每个结点只有一个指针指向下一个结点，而双向链表则每个结点有两个指针，一个指向前一个结点，一个指向后一个结点。循环链表与普通链表类似，只不过最后一个结点的指针指向链表的头结点。

链表相对于数组来说，具有动态性，可以根据需要随时进行扩展或缩小，但是在访问链表中的某个元素时，需要从链表的头结点开始顺序遍历，因此访问效率较低。

一、链表的初始化

链表的初始化是指创建一个空链表的过程，其中链表中没有任何节点。链表的初始化通常需要进行以下几个步骤：

**1）、定义链表的结构：**首先需要定义链表节点的结构。链表节点通常包含两个部分：数据域和指针域。数据域用于存储节点的数据，而指针域用于指向下一个节点。

cpp 复制代码 
struct LinkNode {
    int data;       // 数据域
    LinkNode* next;     // 指针域
};

链表节点

**2）、创建头节点：**链表的头节点是一个特殊的节点，它不存储实际的数据，只用于标识链表的起点。在初始化链表时，需要创建一个头节点。

cpp 复制代码 
LinkNode* head = new LinkNode();  // 创建头节点
head->next = nullptr;     // 头节点的指针域为空

或使用 malloc 函数创建

cpp 复制代码 
// 初始化空链表
LinkNode* Init_Link() {
	/*该代码段将返回一个指向已初始化的空链表的头节点的指针，
	可以在其他函数中使用该指针进行链表操作。*/
	LinkNode* head = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode));
	head->next = nullptr;
	return head;
}

执行上述代码之后，则有：

**3）、设置尾节点：**在初始化链表时，由于链表为空，头节点同时也是尾节点，因此需要将头节点的指针域设置为空。

cpp 复制代码 
head->next = nullptr;

**4）、完成初始化：**将链表的头节点作为链表的唯一标识，可以通过头节点找到整个链表。此时，链表的初始化就完成了。

完整的链表初始化代码示例：

cpp 复制代码 
#include<iostream>

struct LinkNode{
	int data; // 数据域
	LinkNode* next; // 指针域
};

// 初始化空链表
LinkNode* Init_Link() {
	/*该代码段将返回一个指向已初始化的空链表的头节点的指针，
	可以在其他函数中使用该指针进行链表操作。*/
	LinkNode* head = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode));
	head->next = nullptr;
	return head;
}

int main() {
	LinkNode* L1 = Init_Link(); // 调用Init_Link函数，获得一个指向已初始化的空链表的头节点的指针。


	// 输出链表头节点的指针
	std::cout << "链表L1的指针域：" << L1->next;
	free(L1); // 在不再需要链表时手动释放内存,确保没有内存泄漏
	return 0;
}

二、链表节点的插入

2.1 头部插入

链表头部插入节点结构图

在上图中，我们首先创建了一个单链表，单链表的元素为1、2、3、4，该单链表包含头节点。接下来， 我们要完成头部插入新节点，即在头节点之后、第一个元素节点之前插入新节点，插入的步骤为：
**第一步：**让新节点与第一个元素的节点相连接，代码为：

cpp 复制代码 
New_head->next = head->next; // 新节点接到头部节点的后一个节点

**第二步：**让头节点与新节点相连接，代码为：

cpp 复制代码 
head->next = New_head; // 头部节点连接新节点

第三步： 链表头节点与原第一个元素的节点之间的连接自动断开。

完整代码实现：

cpp 复制代码 
// 链表头部插入节点
void Head_Insert_node(LinkNode* head) {
	/*
	  head:链表头指针
	  new_data:需要插入的元素
	*/
	int new_data;
	int num2;
	std::cout << "头插法插入元素个数：" << std::endl;
	std::cin >> num2;
	std::cout << "头插法插入元素：" << std::endl;
	for (int i = 0; i < num2; i++) {
		std::cin >> new_data;
		LinkNode* New_head = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode)); // 定义一个新节点NewNode（为新节点分配地址）
		if (New_head == nullptr) {
			std::cout << "内存分配失败!\n";
		}
		New_head->data = new_data; // 为新节点分配值
		// 头部插入新节点
		New_head->next = head->next; // 新节点接到头部节点的后一个节点
		head->next = New_head; // 头部节点连接新节点
	}
}

2.2 尾部插入

完整代码实现：

cpp 复制代码 
// 链表尾部插入节点
void Tail_Insert_node(LinkNode* head) {
	
	int tail_new_data; // 定义尾部插入元素
	int tail_num; // 定义尾插法插入元素个数
	std::cout << "尾插法插入元素个数：" << std::endl;
	std::cin >> tail_num;
	std::cout << "尾插法插入元素：" << std::endl;
	LinkNode* each_current = head; // 定义遍历指针
	for (int i = 0; i < tail_num; i++) {
		std::cin >> tail_new_data;
		LinkNode* New_node = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode)); // 定义一个新节点NewNode（为新节点分配地址）
		if (New_node == nullptr) {
			std::cout << "内存分配失败!\n";
		}
		if (each_current->next == nullptr) { // 链表只有头节点，没有元素节点
			New_node->data = tail_new_data; // 为新节点分配值
			each_current->next = New_node;
			New_node->next = nullptr; // 若没有这句话 会报错 *****重要！！！
			each_current = each_current->next;
		}
		if (each_current->next != nullptr) { // 链表除头节点之外还有其他的元素节点
			New_node->data = tail_new_data; // 为新节点分配值
			while (each_current->next != nullptr) {
				each_current = each_current->next;
			}
			each_current->next = New_node;
			New_node->next = nullptr; // 若没有这句话 会报错 *****重要！！！
		}	
	}
}

2.2.1 尾部插入时两种情况

2.2.1.1 非空链表时尾插

**第一步：**遍历指针找出链表尾部节点 。

过程分析：

首先需要定义一个链表类型的遍历指针each_current， 该指针用于寻找链表的尾部节点，该指针初始位置指向第一个节点，随后开始遍历，若该指针指向的下一个节点内容不为空，则表明该指针指向的节点不是尾部节点，此时该指针自增，直到该指针指向的下一个节点的内容为nullptr，说明该指针指向的节点为尾部节点，此时退出while循环。

**第二步：**将新节点New_head接入尾部节点之后。

注意：新节点New_head的指针域要赋nullptr，即New_head->next=nullptr；否则程序报错!

过程分析：

接下来我们将新节点New_head接入到尾部节点的后面位置。

2.2.1.2 空链表时尾插

2.3 中间任意位置插入

代码实现：

cpp 复制代码 
// 链表任意位置插入节点
void Insert_Node(LinkNode* head) {
	/*
	head:链表的头指针
	position:新节点插入的位置
	new_data:插入的元素
	*/
	LinkNode* each_current = head; // 定义遍历指针
	LinkNode* New_node = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode)); // 定义一个新节点NewNode（为新节点分配地址）

	int new_data; // 插入元素
	int position; // 插入位置
	if (each_current->next == nullptr) {
		std::cout << "链表中无元素，请先考虑使用头插法或尾插法创建链表！" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "插入位置：" << std::endl;
		std::cin >> position;
		std::cout << "插入元素：" << std::endl;
		std::cin >> new_data;
		if (New_node == nullptr) {
			std::cout << "内存分配失败!\n";
		}
		New_node->data = new_data; // 为新节点分配值
		New_node->next = nullptr;

		int count_num = count_Linknum(head); // 获取链表元素个数，储存在变量count_num中

		if (position <= 0) {
			std::cout << "插入位置越下界！\n";
		}
		else if (position > count_num) {
			std::cout << "插入位置越上界！\n";
		}
		else {

			// 找到要插入位置的前一个节点
			int count = 1;
			while (each_current->next != nullptr && count != position) {
				each_current = each_current->next;
				count++;
			}
			// 在指定位置插入节点
			New_node->next = each_current->next;
			each_current->next = New_node;
		}
	}
}

分析：

三、链表元素的打印

链表元素打印函数如下（带有头节点的链表）：

cpp 复制代码 
// 打印链表元素
void printLinkNode(LinkNode* head) {
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	std::cout << "链表元素为：\n";
	while (each_current != nullptr){
		std::cout<< each_current->data << " ";
		each_current = each_current->next;
	}
}

上述代码段分析：

对于链表元素的打印，我们需要定义一个链表类型的遍历指针each_current，该指针首先指向头节点的后一个节点，即装第一个元素的节点。当遍历指针所指内容不为空时，输出遍历指针指向的当前节点的元素值，随后遍历指针递增，直到遍历指针指向nullptr，此时节点遍历完成，退出while循环。

四、统计链表元素个数

函数实现：

cpp 复制代码 
// 统计链表元素个数
int count_Linknum(LinkNode* head) {
	/*
	 head:表示头指针
	*/
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	int count_num = 0;
	while (each_current != nullptr) {
		each_current = each_current->next;
		count_num++;
	}
	return count_num;
}

代码分析（以带头结点的四个元素节点为例）：

五、链表元素的删除

5.1 链表指定元素的删除

代码如下：

cpp 复制代码 
// 删除链表指定元素
void Delete_element(LinkNode* head) {
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	LinkNode* pre_each_current = head;
	if (each_current == nullptr) {
		std::cout << "链表中无元素，请先创建链表！" << std::endl;
	}
	else {
		int delete_data;
		std::cout << "删除的元素：" << std::endl;
		std::cin >> delete_data;

	
		while (each_current != nullptr) {
			if ((each_current->data != delete_data) && (each_current->next == nullptr)) {
				std::cout << "链表中没有您想要删除的元素！" << std::endl;
			}
			if (each_current->data == delete_data) {
				pre_each_current->next = each_current->next;
				free(each_current); // 释放要删除的节点
				each_current = pre_each_current->next; // each_current指向删除节点的后一个节点
				std::cout << "元素" << delete_data << "已删除！" << std::endl;
			}
			else {
				// 当没有找到要删除的元素时，each_current和pre_each_current正常递增
				each_current = each_current->next;
				pre_each_current = pre_each_current->next;
			}
		}	
	}
}

5.2 链表指定位置上的元素的删除

代码如下：

cpp 复制代码 
// 删除链表指定位置上的元素
void Delete_position(LinkNode* head) {
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	LinkNode* pre_each_current = head;
	if (each_current == nullptr) {
		std::cout << "链表中无元素，请先创建链表！" << std::endl;
	}
	else {
		int delete_position;
		std::cout << "删除的位置：" << std::endl;
		std::cin >> delete_position;
		int linknum = count_Linknum(head); // 链表元素个数
		if (delete_position > linknum) {
			std::cout << "删除越上界！" << std::endl;
		}
		if (delete_position <= 0) {
			std::cout << "删除越下界！" << std::endl;
		}
		else {
			int element_position = 1; // 元素位置变量
			while (element_position != delete_position) {
				element_position++;
				each_current = each_current->next;
				pre_each_current = pre_each_current->next;
			}
			pre_each_current->next = pre_each_current->next->next; // 也可：pre_each_current->next = each_current->next;
			
			std::cout << "第" << delete_position << "位置上的元素" << each_current->data << "已删除！" << std::endl;
			free(each_current);
		}
	}		
}

六、查询链表元素

6.1 查询链表指定元素

cpp 复制代码 
// 查询链表指定元素
void search_element(LinkNode* head) {

	int element_position = 1; // 元素位置变量
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	if (each_current == nullptr) {
		std::cout << "链表中无元素，请先创建链表！" << std::endl;
	}
	else {
		int search_data;
		std::cout << "查找元素：" << std::endl;
		std::cin >> search_data;

		while (each_current != nullptr) {
			if (each_current->data == search_data) {
				std::cout << "元素:{" << search_data << "}" << "-" << "所在位置:" << element_position << std::endl;
			}
			else {
				std::cout << "链表中不存在此元素！" << std::endl;
				break;
			}
			each_current = each_current->next;
			element_position++;
		}
	}
}

6.2 查询链表指定位置上面的元素

cpp 复制代码 
// 查询链表指定位置上面的元素
void search_position(LinkNode* head) {
	int element_position = 1; // 元素位置变量
	LinkNode* each_current = head->next; // 定义遍历指针
	int linknum = count_Linknum(head);; // 链表元素个数
	if (each_current == nullptr) {
		std::cout << "链表中无元素，请先创建链表！" << std::endl;
	}
	else {
		int Sposition;
		std::cout << "查找的位置为：" << std::endl;
		std::cin >> Sposition;

		if (Sposition > linknum) {
			std::cout << "查询越上界！" << std::endl;
		}
		if (Sposition <= 0) {
			std::cout << "查询越下界！" << std::endl;
		}
		else {
			while (each_current != nullptr) {
				if (element_position == Sposition) {
					std::cout << "位置：" << Sposition << "所对应的元素为：" << each_current->data << std::endl;
				}
				each_current = each_current->next;
				element_position++;
			}
		}
	}
	
}

七、主函数

cpp 复制代码 
int main() {
	LinkNode* L1 = Init_Link(); // 调用Init_Link函数，获得一个指向已初始化的空链表的头节点的指针。
	int choice; // 选择变量
	
	while (true) {
		system("pause");
		system("cls");
		std::cout << "请选择要执行的操作：" << std::endl;
		std::cout << "---------------------------------------" << std::endl;
		std::cout << "1:退出" << std::endl;
		std::cout << "2:链表节点头插法" << std::endl;
		std::cout << "3:链表节点尾插法" << std::endl;
		std::cout << "4:链表节点任意位置插法" << std::endl;
		std::cout << "5:查询链表指定元素" << std::endl;
		std::cout << "6:查询链表指定位置上的元素" << std::endl;
		std::cout << "7:删除链表指定元素" << std::endl;
		std::cout << "8:删除链表指定位置上的元素" << std::endl;
		std::cout << "9:统计链表元素个数" << std::endl;
		std::cout << "10:打印链表元素" << std::endl;
		std::cout << "---------------------------------------" << std::endl;

		std::cin >> choice;
		
		switch (choice) {
		case 1:
			exit(0);
			break;
		case 2:
			Head_Insert_node(L1);
			break;
		case 3:
			Tail_Insert_node(L1);
			break;
		case 4:
			Insert_Node(L1);
			break;
		case 5: // 查询链表指定元素
			search_element(L1);
			break;
		case 6:
			search_position(L1);
			break;
		case 7:
			
			Delete_element(L1);
			break;
		case 8:
			Delete_position(L1);
			break;
		case 9:
			int count_num;
			count_num = count_Linknum(L1);
			std::cout << "链表中现存元素个数为：" << count_num << std::endl;
			break;
		case 10:
			printLinkNode(L1);
			break;
		}
	}
	

	/*Head_Insert_node(L1, 4);
	Head_Insert_node(L1, 3);
	Head_Insert_node(L1, 2);
	Head_Insert_node(L1, 1);
	Tail_Insert_node(L1, 5);
	Insert_Node(L1, 3, 3);
	printLinkNode(L1);
	search_element(L1, 3);
	search_position(L1, 5);
	Delete_position(L1, 2);
	printLinkNode(L1);*/
	// int count_num = count_Linknum(L1);
	// std::cout << "链表元素个数为：\n" << count_num;

	// 输出链表头节点的指针
	// std::cout << "链表L1的指针域：" << L1->next;
	free(L1); // 在不再需要链表时手动释放内存,确保没有内存泄漏
	return 0;

}
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