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1.顺序表的问题和思考
问题:
- 中间/头部的插入删除,时间复杂度为O(N)。
- 增容需要申请新空间,拷贝数据,释放旧空间,会有不小的消耗。
- 增容一般是呈2倍的增长,势必会有一定的空间浪费。例如当前容量为100,满了以后增容到200,我们再继续插入了5个数据,后面没有数据插入了,那么就浪费了95个数据空间。
思考:
如何解决以上问题呢?下面给出了链表的结构来看看。
1. 链表的概念和结构
链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储构,数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的 。
1.1 逻辑结构(就是我们想象的,数据元素依次链接):
1.2 物理结构(实实在在的在内存中真实存储的结构,数据元素不一定是连续存储的):
1. 每个结点(一块空间)都是随机在内存中动态开辟(malloc)出来的,都有它们的地址(第一个字节的地址),这些地址也是随机的。
2. 每个新结点都包含两个区域——数据域和指针域。数据域存放我们要操作的数据,指针域存放着下一个结点的地址。我们就是通过这个地址和下一个结点建立联系。
3. 最后一个结点的指针域中存放的是NULL。
2. 链表的分类
实际中的链表种类非常多,以下情况组合起来就有8种链表构:
比如:
虽然有这么多的链表的结构,但是我们实际中最常用还是两种结构,下面也只对这两种结构进行代码实现:
- 无头单向非循环链表: 结构简单,一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结构的子结构,如哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在笔试面试中出现很多。
- 带头双向循环链表: 结构最复杂,一般用在单独存储数据。实际中使用的链表数据结构,都是带头双向循环链表。另外这个结构虽然结构复杂,但是使用代码实现以后会发现结构会带来很多优势,实现反而简单了,后面我们代码实现了就知道了。
单链表的功能一般有如下几个:
- 打印数据
- 动态申请新结点
- 尾部插入数据
- 头部插入数据
- 尾部删除数据
- 头部删除数据
- 查找指定数据的位置
- 在pos位置前插入数据
- 删除pos处的数据
2.1 建立单链表
typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
SLTDataType data;//要操作的数据
struct SListNode * next;//指向下一个结点的指针
}SLNode;
2.2 打印数据
首先定义一个指针cur指向第一个结点(头指针phead),使用循环进行遍历,当cur != NULL时,打印数据,再让cur指向下一个结点,直至跳出循环。
代码实现如下:
void SListPrint(SLNode* phead)
{
SLNode* cur = phead;
while (cur != NULL)
{
printf("%d->", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("NULL\n");
}
2.3 动态申请新结点
由于链表在内存中不是一块连续的空间,所以每次进行插入(增加)数据的操作时,都要在内存中创建新结点,即动态开辟(malloc)一块空间。
//这个函数是每次在增加数据时进行调用的 SLNode* BuySListNode(SLTDataType x) { //随机开辟一块空间(结点) SLNode* newnode =(SLNode*)malloc(sizeof(SLNode)); if (newnode == NULL) { printf("malloc fail!\n"); return; } newnode->data = x;//存入要插入的数据 newnode->next = NULL;//把最后一个结点指向空 return newnode; }
2.4 尾部插入数据
尾插分为两种情况:
1.如果链表中没有结点时,直接让新结点指向头指针;
2.链表中至少有一个结点时,需要循环找到链表的尾结点的指针,再链接上新结点。
代码实现如下:
void SListPushBack(SLNode** pphead, SLTDataType x) { SLNode* newnode = BuySListNode(x); //1.如果表中没有一个节点 if (*pphead == NULL) { *pphead = newnode; } else { //2.有两个节点以上,找尾, SLNode* tail = *pphead; while (tail->next != NULL) { tail = tail->next; } //链接新节点 tail->next = newnode; } }
2.5 头部插入数据
头插,首先在内存中开辟一个结点,把链表内原来第一个结点的地址存入新结点中,使两者建立联系,再把新结点的地址存入头指针即可。
代码实现如下:
void SListPushFront(SLNode** pphead, SLTDataType x)
{
SLNode* newnode = BuySListNode(x);
newnode->next = *pphead;
*pphead = newnode;
}
2.6 尾部删除数据
尾删分为三种情况:
1.如果链表中没有数据(链表为空),则不需要删除,略作提示终止程序即可;
2.如果表中只有一个结点,直接free释放,再置空即可;
3.如果表中多于一个结点,不能直接循环找到尾结点删除,这样前一个结点会形成野指针,而是要先保存倒数第二个结点的地址,再把尾结点释放置空。
代码实现如下:
void SListPopBack(SLNode** pphead) { //1.链表内无数据 if (*pphead == NULL) { printf("链表为空!\n"); return; } //2.如果只有一个结点 else if ((*pphead)->next == NULL) { free(*pphead); *pphead = NULL; } else { SLNode* prev = NULL; SLNode* tail = *pphead; //3.记住前一个位置 while (tail->next != NULL) { prev= tail; tail = tail->next; } free(tail); prev->next = NULL; } }
2.7 头部删除数据
头删,相同的道理,不能直接把第一个结点free释放,这样就找不到后面的数据了,而是先要定义一个指针变量保存第二个结点的地址,再把第一个结点free释放,置空。最后让头指针指向这个变量。
代码实现如下:
void SListPopFront(SLNode** pphead)
{
SLNode* cur = NULL;
cur = (*pphead)->next;
free(*pphead);
*pphead = cur;
}
2.8 查找指定数据的位置
循环遍历链表,查找出指定数字的位置,用指针pos保存,这个函数一般配合下面两个函数一起使用。
代码实现如下:
SLNode* SListFind(SLNode* phead, SLTDataType x)
{
SLNode* cur = phead;
while (cur!=NULL)
{
if (cur->data == x)
{
//找到了发回地址
return cur;
}
cur = cur->next;
}
//没有找到,返回空
return NULL;
}
2.9 在pos位置前插入数据
这个函数包含两种情况:
1.当在第一个结点前插入时(pos指向第一个结点,pos是通过查找函数找到的),相当于头插;
2.当在其余结点前插入时,需要一个变量prev保存pos的前一个结点的地址,再把prev,pos,newnode这三个结点链接起来。
代码实现如下:
void SListInsert(SLNode** pphead, SLNode* pos, SLTDataType x) { SLNode* newnode = BuySListNode(x); //当在第一个结点前插入时,相当于头插 if ((*pphead)->next == NULL) { SListPushFront(pphead, x); } else { SLNode* prev = NULL; SLNode* cur = *pphead; while (cur->next != pos) { cur = cur->next; } prev = cur;//保存到了pos前一个结点的地址 prev->next = newnode; newnode->next = pos; } }
2.10 删除pos处的数据
相同的,这个函数也包含两种情况:
1.当要删除第一个结点时(此时pos指向第一个结点),相当于头删;
2.当pos指向其他位置时,不能直接free释放掉pos,而是要先找到pos前一个结点的位置,把它与pos的后一个结点进行链接,最后free释放掉pos。
代码实现如下:
void SListErase(SLNode** pphead, SLNode* pos) { //当要删除第一个结点时,相当于头删 if (pos == *pphead) { SListPopFront(pphead); } else { SLNode* prev = *pphead; while (prev->next != pos) { prev = prev->next; } prev->next = pos->next; free(pos); } }
SList.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef int SLTDataType; typedef struct SListNode { SLTDataType data; struct SListNode* next; }SLTNode; //尾插 void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x); //头插 void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x); //打印数据 void SListPrint(SLTNode* phead); //尾删 void SListPopBack(SLTNode** pphead); //头删 void SListPopFront(SLTNode** pphead); //查找 SLTNode* SListFind(SLTNode* pphead, SLTDataType x); //在pos位置前插入数据 void SListInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x); //在pos位置处删除数据 void SListEarse(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
SList.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include "SList.h" void SListPrint(SLTNode* phead) { SLTNode* cur =phead; while (cur != NULL) { printf("%d->", cur->data); cur = cur->next; } printf("NULL\n"); } SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x) { //开辟新节点 SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode)); if (newnode == NULL) { printf("malloc fail!\n"); return; } newnode->data = x; newnode->next = NULL; } void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x) { //判断刚开始是否有节点,若没有,则直接开辟 SLTNode* newnode = BuySListNode(x); if (*pphead == NULL) { *pphead = newnode; } else { //若已经存在节点 则找到尾结点,链接新节点 SLTNode* tail = *pphead; while (tail->next != NULL) { tail = tail->next; } tail->next = newnode; } } void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x) { SLTNode* newnode = BuySListNode(x); newnode->next = *pphead; *pphead = newnode; } void SListPopFront(SLTNode** pphead) { if (*pphead == NULL) { printf("链表无数据!\n"); } //注意不能直接free,要先记住第二个节点的地址,再释放第一个节点 SLTNode* next = (*pphead)->next; free(*pphead); *pphead = next; } void SListPopBack(SLTNode** pphead) { //1.当链表为空时 if (*pphead == NULL) { printf("链表无数据!\n"); return; } //2.只有一个节点时,直接释放掉,再置空 else if ((*pphead)->next == NULL) { free(*pphead); *pphead = NULL; } else { SLTNode* prev = NULL; SLTNode* tail = *pphead; //让prev记住倒数第二个节点,此时tail指向最后一个节点 while (tail->next != NULL) { prev = tail; tail = tail->next; } //释放最后一个空间 free(tail); //这时prev是最后一个节点,要置空,避免野指针 prev->next = NULL; } } SLTNode* SListFind(SLTNode* pphead, SLTDataType x) { SLTNode* cur = pphead; //遍历链表,找数 while (cur) { if (cur->data == x) { return cur; } cur = cur->next; } return NULL; } void SListInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x) { //要在第一个节点前插入数据时,相当于头插 if (pos == *pphead) { SListPushFront(pphead, x); } else { SLTNode* newnode = BuySListNode(x); SLTNode* prev = *pphead; while (prev->next != pos) { prev = prev->next; } prev->next = newnode; newnode->next = pos; } } void SListEarse(SLTNode** pphead, SLTNode* pos) { //1.当pos为第一个节点时,没有前一个节点,删除时相当于头删 if (pos == *pphead) { SListPopFront(pphead); } else { //2.Pos不是第一个节点,找到pos的前一个位置,再释放空间 SLTNode* prev = *pphead; while (prev->next != pos) { prev = prev->next; } prev->next = pos->next; free(pos); } }
test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include "SList.h" //在这里对那些函数接口进行测试,例如: void SListTest() { //定义一个头指针,置空 SLTNode* plist = NULL; //这里传地址的原因是我们要对链表中的数据进行修改, //由于形参是实参的一份临时拷贝,改变形参不影响实参 //所以只有传地址,对内存进行修改 SListPushBack(&plist, 1); SListPushBack(&plist, 2); SListPushBack(&plist, 3); SListPushBack(&plist, 4); SListPrint(plist); //在3前面插入有一个30,先找到3的前一个的位置,再插入 SLTNode* pos = SListFind(plist, 3); if (pos) { SListInsert(&plist,pos,30); } SListPrint(plist); } int main() { SListTest(); return 0; }
虽然单链表是我们要掌握基础链表之一,但是它并不完美,比如它不能从后往前操作,不容易找到前驱,每次尾插,尾删都要进行遍历,使得时间复杂度为O(N)等,使用起来其实并不是那么方便。
下面介绍的双链表虽然结构更复杂,但是它完美解决了单链表的缺陷,使用起来十分方便,丝滑。
- 双链表的"带头"是指需要在链表的最前端动态申请一个特殊的结点,这第一个结点不存储有效数据,这种结点也称为带哨兵位的头结点。 它的好处是在进行增删查改等操作时,不需要改变传过来的指针了,也就意味着不需要传二级指针了。
而且,与单链表相比,它不仅有存放下一个结点地址的next指针(也可叫后驱指针),还会增加一个前驱指针prev,用来存放上一个节点的地址。这样就使得每个节点都能快速找到自己的前一个结点,也能找到自己的下一个结点。 最终会形成"循环"。
双链表的这两点结构对我们增删查改的实现有极大的方便,使它能够完美解决单链表的缺陷。- 单链表的结构就更简单了,它没有带头,也没有循环,只能从头到尾前一个结点指向后一个结点。
双链表的功能一般有如下几个:
- 初始化链表
- 打印数据
- 动态申请新结点
- 尾部插入数据
- 头部插入数据
- 尾部删除数据
- 头部删除数据
- 查找指定数据的位置
- 在pos位置前插入数据
- 删除pos处的数据
- 销毁链表
3.1 建立双链表
typedef int SLTDataType;
typedef struct ListNode
{
SLTDataType data;//要操作的数据
struct ListNode* next;//后驱指针
struct ListNode* prev;//前驱指针
}ListNode;
3.2 初始化链表
首先要申请一个带哨兵位的头结点,并且让它的前驱和后驱都指向自己。
代码实现如下:
//注意:这个函数并没有进行传参,而是通过返回值的方式
//把申请空间的地址返回。这就避免了使用二级指针。
ListNode* ListInit()
{
ListNode* phead = BuyListNode(0);
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
3.3 动态申请新结点
在初始化链表和插入数据时,都需要在内存中动态申请新结点。
ListNode* BuyListNode(SLTDataType x)
{
ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail!\n");
return;
}
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
newnode->prev = NULL;
return newnode;
}
3.4 打印数据
首先定义一个指针cur指向第二个结点(头节点不存放数据),由于是循环链表,所以通过循环,当cur != phead时,打印出数据即可。
代码实现如下:
void ListPrint(ListNode* phead) { ListNode* cur = phead->next; if (cur == phead) { printf("链表为空!\n"); return; } while (cur != phead) { printf("%d ", cur->data); cur = cur->next; } printf("\n"); }
3.5 尾部插入数据
尾插,申请新结点newnode,定义变量tail指向最后一个结点(其实就是phead的前驱,这就避免了要向单链表那样通过遍历找到尾节点,体现出了双链表的优越性。),再链接起phead,newnode,tail
代码实现如下:
void ListPushBcck(ListNode* phead, SLTDataType x)
{
assert(phead);//断言
ListNode* newnode = BuyListNode(x);
ListNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
newnode->prev = tail;
phead->prev = newnode;
newnode->next = phead;
}
3.6 头部插入数据
头插,就是在头结点phead和和第二个结点之间插入,申请新结点newnode,再定义变量first指向第二个结点,再链接起三者即可。
代码实现如下:
void ListPushFront(ListNode* phead, SLTDataType x)
{
assert(phead);
ListNode* first = phead->next;
ListNode* newnode = BuyListNode(x);
phead->next = newnode;
newnode->prev = phead;
newnode->next = first;
first->prev = newnode;
}
3.7 尾部删除数据
尾删,与单链表类似,不能直接把最后一个结点free释放。定义一个变量tail指向尾结点(其实就是phead->prev),再定义一个变量prev保存倒数第二个结点的地址(其实就是tail->prev),再进行三者链接,最后释放,置空。
代码实现如下:
void ListPopBcck(ListNode* phead) { assert(phead); //此时链表一个结点都没有 assert(phead->next != phead); ListNode* tail = phead->prev; ListNode* prev = tail->prev; phead->prev = prev; prev->next = phead; free(tail); tail = NULL; }
3.8 头部删除数据
头删,是删除第二个结点,不能直接释放第二个结点。定义变量first指向第二个结点(就是phead->next),再定义变量second指向第三个结点(就是first->next),再进行三者链接,最后释放,置空。
代码实现如下:
void ListPopFront(ListNode* phead) { assert(phead); //此时链表一个结点都没有 assert(phead->next != phead); ListNode* first = phead->next; ListNode* second = first->next; phead->next = second; second->prev = phead; free(first); first = NULL; }
3.9 查找指定数据的位置
定义变量cur指向第二个结点,直接循环遍历,直至cur指向phead。若找到了,则直接返回该结点的地址,用pos接收,否则返回NULL。这个函数一般与下面两个函数配合使用。
ListNode* ListFind(ListNode* phead, SLTDataType x)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
3.10 在pos位置前插入数据
pos是查找函数找到的位置,申请新结点newnode,定义变量prev指向pos的前一个结点,再链接三者即可。
代码实现如下:
void ListInsert(ListNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pos);//断言,pos不能为空
ListNode* prev = pos->prev;
ListNode* newnode = BuyListNode(x);
prev->next = newnode;
newnode->prev = prev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
3.11 删除pos处的数据
与前面类似,不能直接free释放pos处的空间。定义变量prev指向(保存)pos前一个结点的(地址),定义变量next指向(保存)pos后一个结点(地址),再把两者进行链接,最后释放,置空。
代码实现如下:
void ListEarse(ListNode* pos)
{
assert(pos);
ListNode* prev = pos->prev;
ListNode* next = pos->next;
prev->next = next;
next->prev = prev;
free(pos);//释放
pos = NULL;
}
3.12 销毁链表
销毁链表是从第二个结点开始,循环依次释放。定义变量cur指向第二个结点,与前面类似,不能直接释放cur处的空间,而是要先保存到下一个结点的空间,再把当前节点空间释放。最后再释放头结点(phead),置空。
代码实现如下:
void ListDestory(ListNode* phead)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
ListNode* next = cur->next;//保存下一个结点的地址
free(cur);//先释放有数据的结点
cur = next;
}
free(phead);//释放哨兵位头结点
phead = NULL;
}
List.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <assert.h> typedef int SLTDataType; typedef struct ListNode { SLTDataType data; struct ListNode* next; struct ListNode* prev; }ListNode; //初始化链表 ListNode* ListInit(); //销毁链表 void ListDestory(ListNode* phead); //打印数据 void ListPrint(ListNode* phead); //尾插 void ListPushBcck(ListNode* phead, SLTDataType x); //头插 void ListPushFront(ListNode* phead, SLTDataType x); //尾删 void ListPopBcck(ListNode* phead); //头删 void ListPopFront(ListNode* phead); //查找 ListNode* ListFind(ListNode* phead, SLTDataType x); //在pos前插入数据 void ListInsert( ListNode* pos, SLTDataType x); //删除pos处的数据 void ListEarse( ListNode* pos);
List.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include "List.h" ListNode* BuyListNode(SLTDataType x) { ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode)); if (newnode == NULL) { printf("malloc fail!\n"); return; } newnode->data = x; newnode->next = NULL; newnode->prev = NULL; return newnode; } ListNode* ListInit() { ListNode* phead = BuyListNode(0); phead->next = phead; phead->prev = phead; return phead; } void ListPrint(ListNode* phead) { ListNode* cur = phead->next; if (cur == phead) { printf("链表为空!\n"); return; } while (cur != phead) { printf("%d ", cur->data); cur = cur->next; } printf("\n"); } void ListDestory(ListNode* phead) { assert(phead); ListNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { ListNode* next = cur->next; free(cur); cur = next; } free(phead); phead = NULL; } void ListPushBcck(ListNode* phead, SLTDataType x) { assert(phead); ListNode* newnode = BuyListNode(x); ListNode* tail = phead->prev; tail->next = newnode; newnode->prev = tail; phead->prev = newnode; newnode->next = phead; } void ListPushFront(ListNode* phead, SLTDataType x) { assert(phead); ListNode* first = phead->next; ListNode* newnode = BuyListNode(x); phead->next = newnode; newnode->prev = phead; newnode->next = first; first->prev = newnode; } void ListPopFront(ListNode* phead) { assert(phead); //此时链表一个结点都没有 assert(phead->next != phead); ListNode* first = phead->next; ListNode* second = first->next; phead->next = second; second->prev = phead; free(first); first = NULL; } void ListPopBcck(ListNode* phead) { assert(phead); //此时链表一个结点都没有 assert(phead->next != phead); ListNode* tail = phead->prev; ListNode* prev = tail->prev; phead->prev = prev; prev->next = phead; free(tail); tail = NULL; } ListNode* ListFind(ListNode* phead, SLTDataType x) { assert(phead); ListNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { if (cur->data == x) { return cur; } cur = cur->next; } return NULL; } void ListInsert(ListNode* pos, SLTDataType x) { assert(pos); ListNode* prev = pos->prev; ListNode* newnode = BuyListNode(x); prev->next = newnode; newnode->prev = prev; newnode->next = pos; pos->prev = newnode; } void ListEarse(ListNode* pos) { assert(pos); ListNode* prev = pos->prev; ListNode* next = pos->next; prev->next = next; next->prev = prev; free(pos); pos = NULL; }
test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include "List.h" //在这个函数中进行各函数接口的测试: ListNode* ListTest() { ListNode* plist = ListInit(); ListPushBcck(plist, 1); ListPushBcck(plist, 2); ListPushBcck(plist, 3); ListPushBcck(plist, 4); ListPrint(plist); ListDestory(plist); return 0; } int main() { ListTest(); return; }
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