数据结构——链表

引言

链表（Linked List）是计算机科学中最基础且灵活的数据结构之一。与数组的连续内存分配不同，链表通过指针将零散的内存块串联起来，允许动态调整数据规模，避免内存浪费。链表广泛应用于操作系统内核、数据库索引、动态内存管理等领域。本文将深入解析链表的核心概念、实现方式、典型应用场景及常见变种，帮助你全面掌握这一数据结构。

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一、链表的基本概念

链表由一系列**节点（Node）**组成，每个节点包含两部分：

1. 数据域：存储实际数据（如整数、字符串、对象等）。

2. 指针域：指向下一个节点的地址（在双向链表中还可能包含指向前一个节点的指针）。

链表的操作特性：

• 动态内存分配：无需预先分配固定内存空间。

• 高效插入/删除 ：时间复杂度为 O(1)（已知插入位置时）。

• 低效随机访问 ：查找第 i 个元素需要从头遍历，时间复杂度为 O(n)。

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二、链表的分类与实现

链表根据指针域的复杂度分为三种主要类型，下面分别通过 C语言代码 实现并分析其特点。

1. 单向链表（Singly Linked List）

每个节点仅包含指向下一个节点的指针，适合单向遍历场景。

代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义链表节点结构体
typedef struct Node {
    int data;           // 数据域
    struct Node *next;  // 指针域（指向下一个节点）
} Node;

// 创建新节点
Node* createNode(int value) {
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (newNode == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    newNode->data = value;
    newNode->next = NULL;
    return newNode;
}

// 在链表尾部插入节点
void insertAtTail(Node **head, int value) {
    Node *newNode = createNode(value);
    if (*head == NULL) {
        *head = newNode;
        return;
    }
    Node *current = *head;
    while (current->next != NULL) {
        current = current->next;
    }
    current->next = newNode;
}

// 删除指定值的节点
void deleteNode(Node **head, int value) {
    if (*head == NULL) return;

    Node *current = *head;
    Node *prev = NULL;

    // 处理头节点为待删除节点的情况
    if (current->data == value) {
        *head = current->next;
        free(current);
        return;
    }

    // 遍历查找待删除节点
    while (current != NULL && current->data != value) {
        prev = current;
        current = current->next;
    }

    if (current == NULL) {
        printf("未找到值为 %d 的节点\n", value);
        return;
    }

    prev->next = current->next;
    free(current);
}

// 打印链表
void printList(Node *head) {
    Node *current = head;
    while (current != NULL) {
        printf("%d -> ", current->data);
        current = current->next;
    }
    printf("NULL\n");
}

int main() {
    Node *head = NULL;  // 链表头指针

    insertAtTail(&head, 10);
    insertAtTail(&head, 20);
    insertAtTail(&head, 30);
    printList(head);    // 输出: 10 -> 20 -> 30 -> NULL

    deleteNode(&head, 20);
    printList(head);    // 输出: 10 -> 30 -> NULL

    return 0;
}

特点

• 优点：内存利用率高，插入/删除速度快。

• 缺点：无法逆向遍历，删除节点需记录前驱节点。

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2. 双向链表（Doubly Linked List）

每个节点包含两个指针：prev（指向前驱节点）和 next（指向后继节点），支持双向遍历。

代码实现（关键函数）

typedef struct DNode {
    int data;
    struct DNode *prev;
    struct DNode *next;
} DNode;

// 在双向链表头部插入节点
void insertAtHead(DNode **head, int value) {
    DNode *newNode = (DNode*)malloc(sizeof(DNode));
    newNode->data = value;
    newNode->prev = NULL;
    newNode->next = *head;

    if (*head != NULL) {
        (*head)->prev = newNode;
    }
    *head = newNode;
}

// 删除指定值的节点（双向链表版本）
void deleteDNode(DNode **head, int value) {
    DNode *current = *head;
    while (current != NULL && current->data != value) {
        current = current->next;
    }

    if (current == NULL) return;

    if (current->prev != NULL) {
        current->prev->next = current->next;
    } else {
        *head = current->next;
    }

    if (current->next != NULL) {
        current->next->prev = current->prev;
    }

    free(current);
}

特点

• 优点：支持双向遍历，删除操作更高效。

• 缺点：内存占用稍高（每个节点多一个指针）。

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3. 循环链表（Circular Linked List）

尾节点的指针指向头节点，形成闭环。适合轮询调度等场景。

代码实现（循环链表初始化）

void insertAtTailCircular(Node **head, int value) {
    Node *newNode = createNode(value);
    if (*head == NULL) {
        *head = newNode;
        newNode->next = newNode;  // 指向自身形成环
        return;
    }

    Node *current = *head;
    while (current->next != *head) {
        current = current->next;
    }
    current->next = newNode;
    newNode->next = *head;
}

三、链表的应用场景

1. 实现动态数据结构：如队列、栈、哈希表链地址法。

2. 内存管理：操作系统使用链表管理空闲内存块。

3. 文件系统：FAT文件系统用链表记录文件簇的分配。

4. LRU缓存淘汰算法：双向链表快速移动热点数据。

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四、链表的常见问题与优化

1. 内存泄漏

   • 务必在删除节点后调用 free() 释放内存。

   • 使用工具（如Valgrind）检测内存泄漏。

2. 边界条件处理

   • 空链表插入/删除操作。

   • 头节点和尾节点的特殊处理。

3. 性能优化

   • 引入尾指针 提升尾部插入效率（时间复杂度从 O(n) 降至 O(1)）。

   • 使用带头节点的链表简化代码逻辑（无需单独处理头指针变更）。

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五、总结

链表通过指针的灵活链接，完美解决了数组的固定大小限制问题，是构建复杂动态系统的基石。掌握单链表、双向链表和循环链表的实现与适用场景，能够帮助你在实际开发中高效处理动态数据。尽管链表的随机访问效率较低，但其在插入、删除操作上的优势使其在特定场景下不可替代。

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参考资料

1. 《算法导论》------ Thomas H. Cormen

2. 《数据结构与算法分析》------ Mark Allen Weiss

3. GeeksforGeeks: Linked List Data Structure

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如果对链表的具体操作或应用仍有疑问，欢迎在评论区留言交流！