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1.为什么要有链表
如果你学习过顺序表的话,应该清楚顺序表的缺点,如果你并不了解顺序表的话,推荐阅读一下这篇文章------手撕数据结构------顺序表(C语言讲解)
我们先来简单回顾一下顺序表,顺序表是在连续的内存空间上按顺序存储数据元素。
顺序表的优点:
- 顺序表支持下标的随机访问和修改,并且时间复杂度是O(1),效率高。
- 顺序表在尾部进行插入和删除效率高,时间复杂度是O(1)。
顺序表的缺点:
- 头部和中部进行插入和删除效率都不高,时间复杂度是O(N)。
- 动态顺序表扩容有一定消耗,尤其是动态扩容(需要开辟新空间,拷贝数据,释放旧空间)
- 扩容造成的空间浪费(一般扩容是2倍扩容,假如容量从1000扩容到2000,但是我们只需要插入5个数据,就会浪费995个空间)
针对顺序表的缺点,有人设计出了另一种数据结构 ------ 链表。
2.什么是链表
链表是一种利用不连续的内存空间存储数据元素的数据结构,并且元素之间可以不按顺序进行存储。
正是因为链表不按顺序存储,要想找到下一个数据就需要记录下一个数据的地址,因此,链表中的数据是包含在一个结构体中,我们通常称这个结构体变量为结点。最后一个结点没有下一个结点,就指向空。
链表的特点是按需申请和释放。
链表逻辑示意图如下:
需要注意的是:
- 我们申请结点的时候,一般是使用动态内存管理的函数申请内存空间(malloc、realloc),这些函数是从堆上申请空间的。
- 从堆上申请的空间,是按照一定的策略来分配的,这取决于操作系统,因此,两次申请的空间可能连续,也可能不连续。
- 链表在逻辑结构上是连续的,在物理上结构上不一定连续,这取决于系统动态分配内存的位置。
3.链表的分类
链表大致可以分为这几类:单向还是双向、带不带头、循环还是非循环。
单向 or 双向:
带头 or 不带头:
循环 or 非循环:
通过数学知识,我们可以知道 2*2*2 = 8,也就是说,不同的分类可以组合出八种链表。 在众多的链表中,我们重点学习无头单向非循环链表 和带头双向循环链表。
无头单向非循环链表 :也叫单链表,该链表结构简单,一般不会单独用来存储数据,而是用来作为其他数据结构的子结构。例如:哈希桶、图的邻接表......
带头双向循环链表:该链表是结构最复杂的链表,一般用来单独存储数据,实际中使用的链表,都是带头双向循环链表。
4.单链表的实现
说明一下:
实现链表的时候,主要实现无头单向非循环链表(单链表) 和带头双向循环链表 ,本篇文章中只实现无头单向非循环链表(单链表);带头双向循环链表的实现在下一篇文章中呈现。
实现链表我们定义两个文件,分别是SList.h 和SList.c,SList.h文件用来存放声明,SList.c文件用来存放定义。
SList.h中接口总览
具体实现
链表节点的定义
链表是由一个个动态申请的结点构成的,因此,我们要实现链表的第一件事就是先定义结点。链表的结点有两个成员,分别是数据域和指针域。
- 数据域用来存放数据。
- 指针域用来存放下一个结点的地址。
代码如下所示:
打印链表
打印链表只需要知道链表的起始结点即可,创建一个临时变量作为phead的替身,每次打印完当前结点之后,cur就往后走。直到cur为空,表示没有元素了。
- 注意:指针是可以作为逻辑条件判断的。
申请结点
结点的申请需要使用malloc函数,注意申请的类型是结点的类型,也就是结构体类型。
- 结点申请成功之后,我们将数据域赋值为x,将指针域赋值为NULL。
尾插
尾插数据时,直接链接上去即可,但是,我们要考虑链表是否为空:
- 如果链表为空,我们需要改变的是结构体的指针,需要传递二级指针。
- 如果链表不为空,我们需要增加结点,使用结构体指针即可。(不同的结构体指针可以指向同一个结点,并操控同一个结点)
头插
进行头插操作,我们需要改变的也是结构体的指针,所以也需要传递二级指针。
- 头插对于链表是否为空的情况处理是一样的。
尾删
进行尾部删除时需要考虑三种情况:
- 链表为空:如果链表为空,不能删除。
- 链表只有一个结点:如果链表只有一个结点,我们需要改变结构体指针,这也是为什么传递二级指针的原因。
- 链表有一个以上的结点:此时,我们进行尾删时,只需要改变结构体,使用一级指针即可。
头删
头删需要判断链表是否为空,改变的也是结构体指针,所以也需要传递二级指针。
- 头删只需要释放第一个节点,并改变pphead的值即可。
查找
遍历查找即可,找到返回对应结点的指针,没找到返回NULL。
- 查找并不改变结构体指针,传递一级指针即可。
在pos位置之前插入
在pos位置之前插入需要记录pos的上一个位置。
该接口需要考虑三种情况:
- 首先,链表不能为空,因为我们要在指定位置之前插入,如果链表为空,就不能指定位置了。
- 在第一个结点前插入,这不就是头插吗?复用头插即可。
- 在其他地方插入,链接顺序需要从后往前进行,并且还需要提前保存pos位置的上一个位置。
在pos位置之后插入
在pos位置之后插入,不需要记录上一个位置的情况,并且,也不需要判断pos的位置情况,因为,不管pos在哪里,都是一样的操作。
删除pos位置
删除pos位置和在pos位置之前插入一样,需要记录pos位置的上一个位置,需要分三种情况讨论:
- 删除的时候,链表不能为空,删除位置不能为空。
- 删除位置如果是第一个位置,直接复用头删即可。
- 删除其他位置,需要记录上一个位置。
删除pos位置之后的值
删除pos位置之后的值不需要记录pos的上一个位置,但是需要注意不能删除尾结点,因为尾结点没有下一个结点。
5.完整代码附录
SList.h
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode //定义结点
{
SLTDataType data;
struct SListNode* next;
}SLTNode;
void SLTPrint(SLTNode* phead); //打印链表
SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x); //申请结点
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x); //尾插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x); //头插
void SLTPopBack(SLTNode** pphead); //尾删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead); //头删
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x); //查找
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x); //在pos之前插入x
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x); //在pos之后插入x
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos); //删除pos位置的元素
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos); //删除pos的后一个位置
SList.c
#include"SList.h"
// 打印链表
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
SLTNode* cur = phead;
//while (cur != NULL)
while (cur)
{
printf("%d->", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("NULL\n");
}
// 申请结点
SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x)
{
SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
return newnode;
}
// 尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
if (*pphead == NULL)
{
// 改变的结构体的指针,所以要用二级指针
*pphead = newnode;
}
else
{
SLTNode* tail = *pphead;
while (tail->next != NULL)
{
tail = tail->next;
}
// 改变的结构体,用结构体的指针即可
tail->next = newnode;
}
}
// 头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
newnode->next = *pphead;
*pphead = newnode;
}
// 尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead);
assert(*pphead);
if ((*pphead)->next == NULL)
{
free(*pphead);
*pphead = NULL;
}
else
{
SLTNode* tail = *pphead;
while (tail->next->next)
{
tail = tail->next;
}
free(tail->next);
tail->next = NULL;
}
}
// 头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead);
assert(*pphead);
SLTNode* newhead = (*pphead)->next;
free(*pphead);
*pphead = newhead;
}
// 查找元素
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
SLTNode* cur = phead;
while (cur)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
//在pos位置之前插入x
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
assert(pos);
if (pos == *pphead)
{
SLTPushFront(pphead, x);
}
else
{
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
}
SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
prev->next = newnode;
newnode->next = pos;
}
}
// 在pos之后插入x
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pos);
SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
pos->next = newnode;
newnode->next = pos->next;
}
// 删除pos位置
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
assert(pphead);
assert(pos);
if (pos == *pphead)
{
SLTPopFront(pphead);
}
else
{
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
}
prev->next = pos->next;
free(pos);
}
}
// 删除pos的后一个位置
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{
assert(pos);
// 检查pos是否是尾节点
assert(pos->next);
SLTNode* posNext = pos->next;
pos->next = posNext->next;
free(posNext);
posNext = NULL;
}