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【数据结构】双向链表及其基本操

作者：你好赵伟 | 2024-06-07 11:26:35

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双向链表

文章目录

双向链表（Doubly Linked List）及其基本操作
3. 总代码
结论

双向链表（Doubly Linked List）及其基本操作

1. 简介

双向链表是一种常见的线性数据结构，它与单向链表相比具有双向遍历的优势。除了拥有指向后继节点的指针外，双向链表还拥有指向前驱节点的指针。这使得在双向链表中可以更有效地实现从后往前的遍历，而不像单向链表那样需要重新遍历整个链表。在某些场景下，双向链表能够更加高效地解决问题。
在这里插入图片描述

2. 创建双向链表

2.1 结构声明

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
	LTDataType data;
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
}ListNode;
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2.2 初始化双向链表(Init)

// 创建一个带头结点的双向循环链表
ListNode* ListInit() {
    ListNode* head = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode)); // 分配头结点内存空间
    head->data = -1; // 设定头结点数据为-1
    head->next = head; // 头结点的下一个指向自己，形成循环
    head->prev = head; // 头结点的上一个指向自己，形成循环
    return head; // 返回头结点
}
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2.3 创建双向链表节点

// 创建一个新结点
ListNode* ListCreate(LTDataType x) {
    ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode)); // 分配新结点内存空间
    if (!newnode) {
        perror("fail"); // 内存分配失败则输出错误信息
        exit(-1); // 退出程序
    }

    newnode->data = x; // 设置新结点的数据
    newnode->next = NULL; // 设置新结点的下一个为NULL
    newnode->prev = NULL; // 设置新结点的上一个为NULL

    return newnode; // 返回新结点
}
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2.4 插入节点(Insert)

在双向链表中，由于每个节点都有指向其前一个节点和后一个节点的引用，因此可以更高效地在任意位置插入或删除节点，而不需要像单链表那样遍历查找前一个节点。
在这里插入图片描述
关键在于它们的顺序，由于第②步和第③步都用到了p->next。如果第④步先执行，则会使得p->next提前变成了s，使得插入的工作完不成。所以我们不妨把上面这张图在理解的基础上记忆，顺序是先搞定s的前驱和后继，再搞定后结点的前驱，最后解决前结点的后继。
在这里插入图片描述

// 在特定位置插入元素
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x) {
    assert(pos); // 检查位置是否存在
    ListNode* newnode = ListCreate(x); // 创建新结点

    newnode->next = pos; // 新结点的下一个指向位置结点
    pos->prev->next = newnode; // 位置结点的上一个的下一个指向新结点
    newnode->prev = pos->prev; // 新结点的上一个指向位置结点的上一个
    pos->prev = newnode; // 位置结点的上一个指向新结点
}
	
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2.5 查找结点（Find)

定义了一个名为p的结构体指针，并初始化为指向双链表中的头节点之后的第一个元素。然后，该函数会遍历整个双链表，当p指向的数据等于给定的值x时，立即返回p。否则，继续将p向后移动一位。一旦p重新回到头节点，循环结束且并未找到匹配项，则返回NULL。

// 查找特定元素
ListNode* ListFind(ListNode* head, LTDataType x) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在

    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始

    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        if (p->data == x) // 如果找到了相同的数据
            return p; // 返回该结点
        p = p->next; // 移动到下一个结点
    }
    return NULL; // 如果未找到则返回NULL
}
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2.6 删除节点(Erase)

在双向链表中，删除节点时不需要像单链表那样遍历查找前一个节点，因为每个节点都有指向前一个节点的引用，所以可以更高效地进行删除操作。

在这里插入图片描述
我们要删除指定位置，可以定义一个结构体指针pre保存要删除位置的前一个位置，定义一个结构体指针next保存要删除位置的后一个位置。然后free掉pos，让pre的next指向next，让next的prev指向pre。

// 删除特定位置的元素
void ListErase(ListNode* pos) {
    assert(pos); // 检查位置是否存在

    ListNode* pre = pos->prev; // 找到位置结点的上一个
    ListNode* next = pos->next; // 找到位置结点的下一个

    pre->next = next; // 位置结点的上一个的下一个指向位置结点的下一个
    next->prev = pre; // 位置结点的下一个的上一个指向位置结点的上一个
    free(pos); // 释放位置结点
    pos = NULL; // 将位置结点置为NULL
}

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2.7 打印双向链表

// 打印链表
void ListPrint(ListNode* head) {
    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始
    if (p == head) // 如果下一个是头结点则说明链表为空
        cout << "NULL"; // 打印NULL
    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        cout << p->data << "->"; // 打印结点数据
        p = p->next; // 移动到下一个结点
    }
    cout << endl; // 换行
}
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2.8 销毁双链表

我们需要释放整个双链表，所以我们需要从第一个节点开始遍历列表。我们将当前节点和下一个节点分别存储在cur和q(保存下一个结点)中。每次迭代都将当前节点设置为下一个节点，直到遍历到头节点为止。此时，我们会释放掉最后一个未被释放的节点并返回。

// 销毁链表
void ListDestory(ListNode* head) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在
    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始

    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        ListNode* q = p->next; // 保存下一个结点
        free(p); // 释放当前结点内存
        p = q; // 移动到下一个结点
    }

    free(head); // 释放头结点内存
}
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3. 总代码

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
	LTDataType data;
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
}ListNode;

```cpp
// 创建一个带头结点的双向循环链表
ListNode* ListInit() {
    ListNode* head = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode)); // 分配头结点内存空间
    head->data = -1; // 设定头结点数据为-1
    head->next = head; // 头结点的下一个指向自己，形成循环
    head->prev = head; // 头结点的上一个指向自己，形成循环
    return head; // 返回头结点
}

// 创建一个新结点
ListNode* ListCreate(LTDataType x) {
    ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode)); // 分配新结点内存空间
    if (!newnode) {
        perror("fail"); // 内存分配失败则输出错误信息
        exit(-1); // 退出程序
    }

    newnode->data = x; // 设置新结点的数据
    newnode->next = NULL; // 设置新结点的下一个为NULL
    newnode->prev = NULL; // 设置新结点的上一个为NULL

    return newnode; // 返回新结点
}

// 打印链表
void ListPrint(ListNode* head) {
    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始
    if (p == head) // 如果下一个是头结点则说明链表为空
        cout << "NULL"; // 打印NULL
    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        cout << p->data << "->"; // 打印结点数据
        p = p->next; // 移动到下一个结点
    }
    cout << endl; // 换行
}

// 在链表末尾插入元素
void ListPushBack(ListNode* head, LTDataType x) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在

    ListNode* newnode = ListCreate(x); // 创建新结点

    ListNode* tail = head->prev; // 找到链表末尾结点

    tail->next = newnode; // 末尾结点的下一个指向新结点
    newnode->prev = tail; // 新结点的上一个指向末尾结点
    newnode->next = head; // 新结点的下一个指向头结点
    head->prev = newnode; // 头结点的上一个指向新结点
}

// 删除链表末尾元素
void ListPopBack(ListNode* head) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在
    assert(head->next != head); // 检查链表是否非空

    ListNode* tail = head->prev; // 找到链表末尾结点

    head->prev = tail->prev; // 头结点的上一个指向末尾结点的上一个
    tail->prev->next = head; // 末尾结点的上一个的下一个指向头结点

    free(tail); // 释放末尾结点内存
    tail = NULL; // 将末尾结点置为NULL
}

// 在链表开头插入元素
void ListPushFront(ListNode* head, LTDataType x) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在

    ListNode* next = head->next; // 找到头结点的下一个

    ListNode* newnode = ListCreate(x); // 创建新结点

    newnode->next = next; // 新结点的下一个指向原先的第一个结点
    next->prev = newnode; // 原先的第一个结点的上一个指向新结点

    head->next = newnode; // 头结点的下一个指向新结点
    newnode->prev = head; // 新结点的上一个指向头结点
}

// 删除链表开头元素
void ListPopFront(ListNode* head) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在
    assert(head->next != head); // 检查链表是否非空

    ListNode* p = head->next; // 找到第一个结点
    ListNode* next = p->next; // 找到第一个结点的下一个结点

    head->next = next; // 头结点的下一个指向第一个结点的下一个
    next->prev = head; // 第一个结点的下一个的上一个指向头结点

    free(p); // 释放第一个结点内存
    p = NULL; // 将第一个结点置为NULL
}

// 查找特定元素
ListNode* ListFind(ListNode* head, LTDataType x) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在

    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始

    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        if (p->data == x) // 如果找到了相同的数据
            return p; // 返回该结点
        p = p->next; // 移动到下一个结点
    }
    return NULL; // 如果未找到则返回NULL
}

// 在特定位置插入元素
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x) {
    assert(pos); // 检查位置是否存在

    ListNode* newnode = ListCreate(x); // 创建新结点

    newnode->next = pos; // 新结点的下一个指向位置结点
    pos->prev->next = newnode; // 位置结点的上一个的下一个指向新结点
    newnode->prev = pos->prev; // 新结点的上一个指向位置结点的上一个
    pos->prev = newnode; // 位置结点的上一个指向新结点
}

// 删除特定位置的元素
void ListErase(ListNode* pos) {
    assert(pos); // 检查位置是否存在

    ListNode* pre = pos->prev; // 找到位置结点的上一个
    ListNode* next = pos->next; // 找到位置结点的下一个

    pre->next = next; // 位置结点的上一个的下一个指向位置结点的下一个
    next->prev = pre; // 位置结点的下一个的上一个指向位置结点的上一个
    free(pos); // 释放位置结点
    ```cpp
    pos = NULL; // 将位置结点置为NULL
}

// 销毁链表
void ListDestory(ListNode* head) {
    assert(head); // 检查头结点是否存在

    ListNode* p = head->next; // 从头结点的下一个开始

    while (p != head) { // 遍历链表直到回到头结点
        ListNode* q = p->next; // 保存下一个结点
        free(p); // 释放当前结点内存
        p = q; // 移动到下一个结点
    }

    free(head); // 释放头结点内存
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结论

双向链表提供了更多的灵活性，能够支持更多的操作，但相应地也会占用更多的内存空间。在需要频繁进行双向遍历的场景下，双向链表是一个非常实用的数据结构。

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