C++ 数据结构之-双向链表(link_list)_c++双向链表

双向链表

        双向链表（Doubly Linked List）是一种常见的数据结构，它与单向链表相似，但每个节点有两个指针，一个指向前一个节点（前驱节点），一个指向后一个节点（后继节点）。

        双向链表中的每个节点包含三个基本部分：数据域（存储节点的数据）、前驱指针和后继指针。头节点和尾节点是特殊的节点，它们分别代表双向链表的起始和结束。

特点

1. 双向连接：每个节点都有两个指针，一个指向前驱节点，一个指向后继节点。这种双向连接的结构使得在链表中的节点之间可以进行双向遍历。

2. 首尾节点：双向链表通常有头节点和尾节点，它们分别代表链表的起始和结束。头节点的前驱指针为空，尾节点的后继指针为空。

3. 插入和删除的灵活性：相较于单向链表，双向链表可以更方便地在任意位置插入和删除节点。通过调整前驱和后继指针的指向，可以高效地完成这些操作，而无需遍历整个链表。

4. 前向和后向遍历：由于每个节点都有前驱和后继指针，双向链表可以从头节点或尾节点开始，沿着不同的方向遍历整个链表。这种灵活性在某些情况下能提高效率。

5. 多占用空间：相对于单向链表，双向链表需要额外存储每个节点的前驱指针，因此会占用更多的内存空间。

6. 维护复杂性：因为每个节点有两个指针，所以在插入、删除或修改节点时，需要同时更新相关节点的前驱和后继指针，这增加了链表的维护复杂性。

实现

数据结构：

节点：

template<typename T>
class Node {
public:
    T val; // 数据域
    Node *pre; // 前驱节点指针
    Node *next; // 后继节点指针
 
    ~Node() {
    }
};

 链表属性：

private:
    Node<T> *head; // 头指针
    Node<T> *tail; // 尾指针
    int siz = 0; // 元素个数

 头尾指针使用同一个节点 ，不保存数据

结构图

实现功能

      1、void add(T t);  // 从尾部添加元素

      2、void add(int index, T t); //在索引index处添加元素t

      3、add_first(T t);  // 从头部添加元素

      4、bool contains(T t) const // 判断元素t是否在list中

      5、T get(int index)； // 获取指定位置的元素

      6、T get_first() ；//获取第一个元素

      7、T get_last(); // 获取最后一个元素

      8、int index_of(T t); 获取指定位置的索引

      9、 void clear()；清空list

C++代码

头文件

/**
 * 双向链表实现list
 */
#include <iostream>
#include <bits/functexcept.h>
 
#ifndef LIST_LINK_LIST_H
#define LIST_LINK_LIST_H
 
template<typename T>
class Node {
public:
    T val;
    Node *pre;
    Node *next;
 
    ~Node() {
    }
};
 
template<typename T>
class LinkList {
public:
    // 从尾部添加元素
    void add(T t);
 
    // 在索引index处添加元素t
    void add(int index, T t);
 
    // 从头部添加元素
    void add_first(T t);
 
    // 清空list
    void clear() {
        Node<T> *t_h = head->next;
        while (t_h != tail) {
            Node<T> * t = t_h;
            t_h = t_h->next;
            delete t;
        }
        siz = 0;
        head->pre = tail->next = nullptr;
    };
 
    // 判断元素t是否在list中
    bool contains(T t) const {
        Node<T> *t_h = head->next;
        while (t_h != tail) {
            if (t_h->val == t) return true;
            t_h = t_h->next;
        }
        return false;
    };
 
    T get(int index) {
        if (index < 0 || index > siz - 1) {
            std::__throw_out_of_range_fmt("LinkList<T>::get(int index) index out of range");
        }
        Node<T> *ind_node;
        if (index < (siz >> 1)) {
            ind_node = head->next;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                ind_node = ind_node->next;
            }
        } else {
            ind_node = tail->pre;
            for (int i = siz - 1; i > index; i--) {
                ind_node = ind_node->pre;
            }
        }
 
        return ind_node->val;
    };
 
    T get_first() const { return head->next->val; }
 
    T get_last() const { return tail->pre->val; }
 
    int index_of(T t);
 
    int size() const { return siz; }
 
    // 打印
    void print() {
        if(!siz) return;
        Node<T> *t = head->next;
        while (t != tail) {
            std::cout << t->val << " ";
            t = t->next;
        }
        std::cout << std::endl;
    }
 
    LinkList() {
        head = tail = new Node<T>();
        head->pre = tail->next = nullptr;
    }
 
    ~LinkList() {
        Node<T> *t_h = head;
        while (t_h != tail) {
            t_h = t_h->next;
            Node<T> *t = t_h;
            delete t;
        }
    }
 
private:
    Node<T> *head; // 头指针
    Node<T> *tail; // 尾指针
    int siz = 0; // 元素个数
};
 
#endif //LIST_LINK_LIST_H

其他实现

末尾添加元素

template<typename T>
void LinkList<T>::add(T t) {
    Node<T> *node = new Node<T>();
    node->val = t;
 
    if (!siz) {
        head->next = node;
        tail->pre = node;
        node->next = tail;
        node->pre = head;
    } else {
        tail->pre->next = node;
        node->pre = tail->pre;
        tail->pre = node;
        node->next = tail;
    }
 
    siz++;
}

指定位置添加元素

 
template<typename T>
void LinkList<T>::add(int index, T t) {
    Node<T> *node = new Node<T>();
    node->val = t;
    Node<T> *ind_node;
 
    if (index < 0) {
        add_first(t);
    } else if (index >= siz) {
        add(t);
    } else {
        if (index < (siz >> 1)) {
            ind_node = head->next;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                ind_node = ind_node->next;
            }
        } else {
            ind_node = tail->next;
            for (int i = siz - 1; i > index; i--) {
                ind_node = ind_node->pre;
            }
        }
    }
    node->pre = ind_node->pre;
    ind_node->pre->next = node;
    ind_node->pre = node;
    node->next = ind_node;
    siz++;
}

头部添加元素

 
template<typename T>
void LinkList<T>::add_first(T t) {
    Node<T> *node = new Node<T>();
    node->val = t;
 
    if (!siz) {
        head->next = node;
        tail->pre = node;
        node->pre = head;
        node->next = tail;
    } else {
        head->next->pre = node;
        node->next = head->next;
        node->pre = head;
        head->next = node;
    }
    siz++;
}

获取指定位置的元素

 
template<typename T>
int LinkList<T>::index_of(T t) {
    int i = 0;
    Node<T> *t_h = head->next;
    for (i; i < siz; i++) {
        if (t_h->val == t) return i;
        t_h = t_h->next;
    }
 
    return -1;
}

运行测试

#include "link_list.h"
 
int main() {
    LinkList<int> linkList = LinkList<int>();
    linkList.add_first(1);
    linkList.add(2);
    linkList.add_first(0);
    linkList.add(0,10);
    linkList.print();
 
    std::cout << linkList.index_of(1) << std::endl;
    std::cout<< linkList.get(2)<<std::endl;
 
    std::cout << linkList.contains(2) << std::endl;
    linkList.clear();
    std::cout << "----------" << std::endl;
    linkList.print();
    linkList.add(1);
    linkList.add(2);
    linkList.add(3);
    linkList.print();
}

运行结果

10 0 1 2 
2
1
1
----------
1 2 3