数据结构——双向链表

qixi_ao2024-09-04 23:26

文章目录

双向链表

概念

对链表而言，双向均可遍历是最方便的，另外首尾相连循环遍历也可大大增加链表操作的便捷性。因此，双向循环链表，是在实际运用中是最常见的链表形态。

基本操作

与普通的链表完全一致，双向循环链表虽然指针较多，但逻辑是完全一样。基本的操作包括：

  1. 节点设计
  2. 初始化空链表
  3. 增删节点
  4. 链表遍历
  5. 销毁链表

节点设计

双向链表的节点只是比单向链表多了一个前向指针。示例代码如下所示：

c 复制代码 
typedef int DATA;
typedef struct node
{
    // 以整型数据为例
    DATA data;
    // 指向相邻的节点的双向指针
    struct node *prev;
    struct node *next;
}NODE;

初始化

所谓初始化，就是构建一条不含有效节点的空链表。

以带头结点的双向循环链表为例，初始化后，其状态如下图所示：

在初始空链表的情况下，链表只有一个头结点，下面是初始化示例代码：

c 复制代码 
int dlist_create(NODE** head,DATA data)
{
    // 创建新节点（申请内存空间）
    NODE *pNew = (NODE*)malloc(sizeof(NODE));
    if(!pNew)
    return -1;
    // 给节点赋初值
    pNew -> data = data;
    // 前后指针默认都指向NULL
    pNew -> prev = pNew -> next = NULL;
    // 将新节点作为头节点
    *head = pNew;
    return 0;
}

插入节点

与单链表类似，也可以对双链表中的任意节点进行增删操作，常见的有所谓的头插法、尾插法等，

即：将新节点插入到链表的首部或者尾部，示例代码是：

  • 头插法：新节点插入到链表的头部

    c 复制代码 
    // 将新节点pNew，插入到链表的首部
int dlist_addHead(NODE** head,DATA data)
{
    // 创建新节点并申请内存
    NODE *pNew = (NODE*)malloc(sizeof(NODE));
    if(!pNew)
    return -1;
    // 给新节点赋值
    pNew -> data = data;
    pNew -> prev = NULL;
    // 后针指向头指针
    pNew -> next = *head;
    // 如果头指针存在
    if(*head)
    // 头指针的前指针指向新节点
    (*head) -> prev = pNew;
    // 新插入的节点作为新的头节点
    *head = pNew;
    return 0;
}

  • 尾插法

    c 复制代码 
    // 将新节点pNew，插入到链表的尾部
int dlist_addTail(NODE **head, DATA data)
{
    // 创建节点并申请内存
    NODE *pNew = (NODE *)malloc(sizeof(NODE));
    if (!pNew)
        return -1;
    // 初始化节点
    pNew->data = data;
    pNew->prev = NULL;
    pNew->next = NULL;
    // 用来记录尾节点，默认头节点就是尾节点
    NODE *p = *head;
    if (!p)
    {
        // 头节点不存在，新插入的节点作为头节点
        *head = pNew;
        return 0;
    }
    // 通过循环，查找尾节点
    while (p->next)
    {
        p = p->next;
    }
    // 尾节点的后指针指向新插入的节点
    p->next = pNew;
    // 新插入的节点的前指针指向尾节点
    pNew->prev = p;
    // 此时的新节点作为了新的尾节点
    return 0;
}

  • 中间插法：将新节点插入到链表的指定位置

    c 复制代码 
    // 将新节点pNew，插入到链表的指定位置
int dlist_insert(NODE** head,DATA pos,DATA data)
{
    NODE *pNew = (NODE*)malloc(sizeof(NODE));
    if(!pNew)
        return -1;
    pNew -> data = data;
    pNew -> prev = NULL;
    pNew -> next = NULL;
    NODE* p = *head, *q = NULL;
    if(!p)
    {
        *head = pNew;
        return 0;
    }
    if(memcmp(&(p -> data),&pos,sizeof(DATA)) == 0)
    {
        pNew -> next = p;
        p -> prev = pNew;
        *head = pNew;
        return 0;
    }
    while(p)
    {
        if(memcmp(&(p -> data),&pos,sizeof(DATA)) == 0)
        {
            pNew -> next = p;
            pNew -> prev = q;
            p -> prev = pNew;
            q -> next = pNew;
            return 0;
        }
        q = p;
        p = p -> next;
    }
    q -> next = pNew;
    pNew -> prev = q;
    return 0;
}

剔除节点

注意，从链表中将一个节点剔除出去，并不意味着要释放节点的内容。当然，我们经常在剔除了一个节点之后，紧接着的动作往往是释放它，但是将"剔除"与"释放"两个动作分开，是最基本的函数封装的原则，因为它们虽然常常连在一起使用，但它们之间并无必然联系，例如：当我们要移动一个节点的时候，实质上就是将"剔除"和"插入"的动作连起来，此时就不能释放该节点了。

在双向链表中剔除指定节点的示例代码如下：

c 复制代码 
// 将data对应的节点从链表中剔除
int dlist_delete(NODE** head,DATA data)
{
    NODE* p = *head;
    if(!p)
        return -1;
    if(memcmp(&(p -> data),&data,sizeof(DATA)) == 0)
    {
        if(p -> next == NULL)
        {
            *head = NULL;
            free(p);
            return 0;
        }
        *head = p -> next;
        p -> next -> prev = NULL;
        free(p);
        return 0;
    }
    while(p)
    {
        if(memcmp(&(p -> data),&data,sizeof(DATA)) == 0)
        {
            p -> prev -> next = p -> next;
            if(p -> next == NULL)
                p -> prev -> next = NULL;
            else
                p -> next -> prev = p -> prev;
            free(p) ;
            return 0;
        }
        p = p -> next;
    }
    return -1;
}

链表的遍历

对于双向循环链表，路径可以是向后遍历，也可以向前遍历。

下面是根据指定数据查找节点，向前、向后遍历的示例代码，假设遍历每个节点并将其整数数据输出：

c 复制代码 
// 根据指定数据查找节点
NODE* dlist_find(const NODE* head,DATA data)
{
    const NODE* p = head;
    while(p)
    {
        if(memcmp(&(p -> data),&data,sizeof(DATA)) == 0)
        return (NODE*)p;
        p = p -> next;
    }
    return NULL;
    }
    // 向前|向后遍历
void dlist_showAll(const NODE* head)
    {
    const NODE* p = head;
    while(p)
    {
        printf("%d ",p -> data);
        p = p -> next;// 向后遍历
        // p = p -> prev;// 向前遍历
    }
    printf("\n");
}

修改链表

我们也可以针对链表中的数据进行修改，只需要提供一个修改的源数据和目标数据即可。

示例代码如下：

c 复制代码 
int dlist_update(const NODE* head,DATA old,DATA newdata)
{
    NODE* pFind = NULL;
    if(pFind = dlist_find(head,old))
    {
        pFind -> data = newdata;
        return 0;
    }
    return -1;
}

销毁链表

由于链表中的各个节点被离散地分布在各个随机的内存空间，因此销毁链表必须遍历每一个节点，释放每一个节点。

注意：

销毁链表时，遍历节点要注意不能弄丢相邻节点的指针

示例代码如下：

c 复制代码 
void dlist_destroy(NODE** head)
{
    NODE *p = *head, *q = NULL;
    while(p)
    {
        q = p;
        p = p -> next;
        free(q);
    }
    *head = NULL;
}

完整案例

  • dlist.h

    c 复制代码 
    #ifndef __DLIST_H
#define __DLIST_H
typedef int DATA;
typedef struct node
{
    DATA data;
    struct node *prev;// 前驱指针
    struct node *next;// 后继指针
}NODE;
// 创建链表（初始化）
int dlist_create(NODE**,DATA);
// 向链表插入数据（头插法）
int dlist_addHead(NODE** head,DATA data);
// 向链表插入数据（尾插法）
int dlist_addTail(NODE** head,DATA data);
// 向链表插入数据（中间插法）
int dlist_insert(NODE** head,DATA pos,DATA data);
// 链表数据查询
NODE* dlist_find(const NODE* head,DATA data);
// 链表数据更新
int dlist_update(const NODE* head,DATA old,DATA newdata);
// 链表数据遍历
void dlist_showAll(const NODE* head);
// 链表数据删除
int dlist_delete(NODE** head,DATA data);
// 链表回收
void dlist_destroy(NODE** head);
#endif

  • dlist.c

    c 复制代码 
    #include "dlist.h"

/**
 * @function:   int dlist_create(NODE**,DATA);
 * @berif:      创建双向链表
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              data: 存储在节点中的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_create(NODE **head, DATA data)
{
    // 创建一个节点（申请内存）
    NODE *pNew = (NODE *)malloc(sizeof(NODE));
    if (!pNew)
    {
        perror("内存申请失败！");
        return -1;
    }

    // 节点的初始化
    pNew->data = data;
    pNew->prev = pNew->next = NULL; // 给前驱指针和后继指针都赋值为NULL

    // 将pNew作为头结点
    *head = pNew;
    return 0;
}

/**
 * @function:   int dlist_addHead(NODE**,DATA);
 * @berif:      向链表头部插入数据
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              data: 存储在节点中的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_addHead(NODE **head, DATA data)
{
    // 创建一个节点，申请内存
    NODE *pNew = (NODE *)malloc(sizeof(NODE));
    // 校验
    if (!pNew)
    {
        perror("内存申请失败！");
        return -1;
    }
    // 给节点赋值
    pNew->data = data;
    pNew->prev = NULL;
    pNew->next = *head;

    // 如果头结点存在，需要设置head.prev指向pNew
    if (*head)
    {
        (*head)->prev = pNew;
    }
    // 将pNew作为新的头结点
    *head = pNew;

    return 0;
}

/**
 * @function:   int dlist_addTail(NODE**,DATA);
 * @berif:      向链表尾部插入数据
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              data: 存储在节点中的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_addTail(NODE **head, DATA data)
{
    // 创建一个节点，申请内存
    NODE *pNew = (NODE *)malloc(sizeof(NODE));
    if (!pNew)
    {
        perror("内存申请失败！");
        return -1;
    }

    // 给节点赋初值
    pNew->data = data;
    pNew->prev = pNew->next = NULL;

    // 定义一个变量，用来存储尾结点
    NODE *p = *head;

    // 第一种情况：没有节点，pNew作为头结点
    if (!p)
    {
        *head = pNew;
        return 0;
    }

    // 第二种情况：有节点，向末尾添加pNew
    while (p->next)
    {
        // 移动p的位置
        p = p->next;
    }

    // 末尾的p节点跟pNew建立联系，此时pNew称为尾结点
    p->next = pNew;
    pNew->prev = p;

    return 0;
}

/**
 * @function:   int dlist_insert(NODE**,DATA,DATA);
 * @berif:      向链表任意位置插入数据（中间插法）
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              pos：目标位置数据
 *              data: 存储在节点中的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_insert(NODE **head, DATA pos, DATA data)
{
    // 创建节点，申请内存
    NODE *pNew = (NODE *)malloc(sizeof(NODE));
    if (!pNew)
    {
        perror("内存申请失败！");
        return -1;
    }

    // 给节点赋初值
    pNew->data = data;
    pNew->prev = pNew->next = NULL;

    NODE *p = *head, *q = NULL;

    // 第一种情况：没有节点，pNew作为头结点
    if (!p)
    {
        *head = pNew;
        return 0;
    }

    // 第二种情况：pos对应的节点刚好是头结点（有效节点是头结点，只有一个节点的时候）
    if (memcmp(&(p->data), &pos, sizeof(DATA)) == 0)
    {
        pNew->next = p;
        p->prev = pNew;
        *head = pNew;
        return 0;
    }
    // 第三种情况：pos对应的节点不是头结点（有效节点超过两个）
    while (p) // p 判断当前节点是否为NULL，p->next 判断写一个节点是否为NULL
    {
        if (memcmp(&(p->data), &pos, sizeof(DATA)) == 0)
        {
            pNew->next = p;
            pNew->prev = q;
            p->prev = pNew;
            q->next = pNew;
            return 0;
        }
        // 记录当前位置（上一个节点的位置）
        q = p;
        // 记录下一个节点的位置，也就是更新后的p
        p = p->next;
    }
    // 如果在链表中找不到pos对应的节点，就尾插
    q->next = pNew;
    pNew->prev = q;

    return 0;
}

/**
 * @function:   void dlist_showAll(const NODE*);
 * @berif:      向链表任意位置插入数据（中间插法）
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              pos：目标位置数据
 *              data: 存储在节点中的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
void dlist_showAll(const NODE *head)
{
    const NODE *p = head;
    while (p)
    {
        printf("%d ", p->data);
        // 向后遍历
        p = p->next;
        // 向前遍历
        // p = p->prev;
    }
    printf("\n");
}

/**
 * @function:   NODE* dlist_find(const NODE*,DATA);
 * @berif:      链表数据查询（根据指定的数据查找节点）
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              data: 要检索的数据
 * @return :    成功返回 NODE*
 *              失败返回 NULL
 */
NODE *dlist_find(const NODE *head, DATA data)
{
    // 创建一个变量去接收链表
    const NODE *p = head;

    while (p)
    {
        if (memcmp(&(p->data), &data, sizeof(DATA)) == 0)
        {
            return (NODE *)p;
        }

        p = p->next;
    }
    return NULL;
}

//
/**
 * @function:   dlist_update(const NODE*,DATA,DATA);
 * @berif:      链表数据更新
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              old_data：源数据
 *              new_data: 目标数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_update(const NODE *head, DATA old_data, DATA new_data)
{
    // 用来接收查询到的节点
    NODE *pFind = NULL;

    // 利用刚刚写的查询函数，查询
    if (!(pFind = dlist_find(head, old_data)))
    {
        return -1;
    }
    // 更新数据
    pFind->data = new_data;

    return 0;
}

/**
 * @function:   dlist_delete(NODE**,DATA);
 * @berif:      链表数据删除
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              data: 需要删除的数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
int dlist_delete(NODE **head, DATA data)
{
    // 记录需要删除的节点的位置
    NODE *p = *head;

    // 第一种情况：链表不存在
    if (!p)
    {
        return -1;
    }
    // 第二种情况：删除的数据对应的节点正好是头结点
    if (memcmp(&(p->data), &data, sizeof(DATA)) == 0)
    {
        // 1. 链表中只有一个节点
        if (p->next == NULL)
        {
            free(p);
            *head = NULL;
            return 0;
        }
        // 2. 链表中有两个以上节点
        // 执行下列代码之前，head和p都指向头结点，下面代码的意思是：将p节点的下一个节点作为新的头结点
        *head = p->next;
        // 解除p的引用关系(下一个节点指向它的关系)
        p->next->prev = NULL;
        // 回收p
        free(p);

        return 0;
    }

    // 正常删除：链表中要删除的节点不是头结点
    while (p)
    {
        if (memcmp(&(p->data), &data, sizeof(DATA)) == 0)
        {
            // p的上一个节点的next指向p的下一个节点
            p->prev->next = p->next;
            
            // p是尾结点
            if(p->next==NULL)
            {
                // 解除p的上一个节点跟p的引用
                p->prev->next = NULL;
            }
            else // p不是尾结点
            {
                // p的下一个节点的prev指向p的上一个节点
                p->next->prev = p->prev;
            }
            // 回收解除引用的节点
            free(p);
            return 0;
        }

        // 改变循环条件
        p = p->next;
    }

    return -1;
}

/**
 * @function:   void dlist_destroy(NODE**);
 * @berif:      链表回收
 * @argument:   head: 指向头指针变量的地址，用来接收首节点地址
 *              old_data：源数据
 *              new_data: 目标数据
 * @return :    成功返回 0
 *              失败返回 -1
 */
void dlist_destroy(NODE **head)
{
    // p记录移动的节点，q记录需要回收的节点
    NODE *p = *head, *q = NULL;

    while (p)
    {
        // 实现指针尾随
        q = p;       // 前一个节点
        p = p->next; // 后一个节点
        // 回收q
        free(q);
    }
    *head = NULL;
}

适用场合

经过单链表、双链表的学习，可以总结链表的适用场合：

  • 适合用于节点数目不固定，动态变化较大的场合
  • 适合用于节点需要频繁插入、删除的场合
  • 适合用于对节点查找效率不十分敏感的场合
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