【初阶数据结构】——单链表详解(C描述)

发布于:2022-11-09 ⋅ 阅读:(7) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

前言

上一篇文章,我们学习了顺序表,在文章的最后,我们提出了一些顺序表存在的问题和缺陷。

我们再来回顾一下,对于顺序表来说:

  1. 中间/头部的插入删除,时间复杂度为O(N)
  2. realloc扩容(特别是异地扩,需要申请新空间,拷贝数据,释放旧空间)会有不小的消耗。
  3. 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。

那么如何解决上述问题呢?

针对这些问题,又引出了另一种线性表——链表
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我们一起来看看:

1. 链表的概念及结构

概念:
链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构,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 。
链表由一系列结点(链表中每一个元素称为结点)组成,结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分(单链表):一个是存储数据元素的数据域,另一个是存储下一个结点地址的指针域。 相比于线性表顺序结构,操作复杂。

由于不必须按顺序存储,链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度,比另一种线性表顺序表快得多,但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要O(n)的时间,而线性表和顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。
链表也是线性表的一种。
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2. 链表的分类

实际中链表的结构非常多样。
我们先一起看看,先了解一下:

  1. 单向或者双向

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  1. 带头或者不带头

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  1. 循环或者非循环

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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:

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  1. 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。
  2. 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。

这篇文章我们重点给大家介绍的就是无头(不带头结点)单向非循环链表
下面我们一起来学习:

3. 无头单向非循环链表的实现

就是这个:
在这里插入图片描述

它由多个结点组成,每个结点包含两部分,一个是存储数据元素的数据域,另一个是存储下一个结点地址的指针域。

这样,通过前一个结点的指针域中存储的地址,就可以找到下一个结点,我们也常说它指向下一个结点。

因此就得到了向上面那样的图。
但是,这样的图,我们把它称为逻辑图,一个结点有一个箭头指向下一个结点,依次链接。

但是在内存中,这样的箭头真实存在吗?

显然是不存在的,这只是我们想象出来的,为了方便我们理解的。

对于单链表,它真实的物理结构应该是这样的:

在这里插入图片描述
这里我们讲的是不带头结点(在单链表的第一个结点之前附设一个结点,它没有直接前驱,称之为头结点。头结点的数据域可以不存储任何信息)的单链表,因为大部分OJ题中都是不带头的。
图中的Plist叫做头指针,它直接指向了第一个有效的结点。
最后一个结点的指针域存放空指针NULL。

下面我们就用C语言实现一下单链表:

3.1 结构

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;
	struct SListNode* next;
}SLTNode;

因为单链表是由一系列结点构成的,所以我们只需要给出结点的结构,创建一个个的结点,然后把它们链接起来就构成了链表。
因为每个结点包含两部分,所以我们放在了一个结构体中。

3.2 创建结点

SLTNode* CreateNode(SLTDataType x)
{
	SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}

我们单链表创建的结点是使用malloc在堆上动态申请的空间,大家有没有想过:
为什么要这样做,为什么不直接定义一个结构体变量作为结点呢,为什么要在堆上申请空间呢?

既然选择这么做,就有它的道理:

大家想一下,实现对单链表的各种增删查改功能时,我们一般都是封装一个函数,比如现在我们要写一个头插,如果我们在头插的函数里面定义一个结点,那么这个结构体是不是一个局部的变量啊,我们知道局部变量是在栈上的,出了它的作用域就销毁了,当函数调用结束,结点也随之被销毁。
这样肯定是不行的,那什么地方的空间是我们需要了就申请,不需要的时候我们也可以自己释放呢?
当然有,就是堆上的空间。
所以,结点的创建我们使用malloc动态申请空间,而对于malloc申请的空间,是在堆上的,在程序结束之前,我们只要不释放,他就会一直存在。

对于动态内存管理知识不太熟悉或遗忘的老铁可以去复习一下,这篇文章大家可以看看:
链接: link

3.3 单链表的销毁

//销毁
void SLTDestory(SLTNode** pphead)//pphead接收头指针的地址
{
	assert(pphead);
	SLTNode* cur = *pphead;
	while (cur)
	{
		SLTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	*pphead = NULL;
}

单链表的销毁需要将头指针置空,可能会改变头指针,所以应该传二级指针,SLTNode** pphead接收头指针的地址
后面需要改变头指针的我们这里都选择传二级(传头指针地址),当然也可以用其他的方法。
不需要改变头指针的传头指针即可。

因为单链表使用的空间是我们使用malloc动态开辟的,所以是需要我们手动去释放的。
但是要注意,对于单链表空间的释放,我们不能做到像顺序表那样一次性就释放掉,因为顺序表的空间是一块连续的空间,但是,链表是一个一个结点构成的,一个结点malloc一次,它们不一定是连续的空间,所以我们要一个结点一个结点的释放。

3.4 打印单链表

//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

我们堆单链表进行遍历打印每个结点的数据就行了。
打印单链表不需要改变头指针,不需要传二级,SLTNode* phead接收头指针即可。

3.5 尾插

在这里插入图片描述
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尾插要进行一个判断,因为我们实现的是没有头结点的,如果是对空表头插,直接将要插入的结点赋值给头指针即可。
不是空表的尾插,要先遍历找尾,然后让尾结点的指针域存新结点的地址,使其成为新的尾。

//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	//空表
	if (*pphead == NULL)
	{
		*pphead = newnode;
	}
	//找尾
	else
	{
		SLTNode* tail = *pphead;
		while (tail->next)
		{
			tail = tail->next;
		}
		tail->next = newnode;
	}
}

3.6 尾删

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

尾删也要进行判断分情况实现:
首先如果是空表就不是删了,进行断言assert(*pphead);
如果只有一个结点要单独处理,直接释放头指针。
一个结点以上的情况,先找尾,再删。

//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;
	}
}

3.6 头插

单链表实现头插头删是非常简单的:
在这里插入图片描述

//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	newnode->next = *pphead;
	*pphead = newnode;

}

3.7 头删

在这里插入图片描述

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	assert(*pphead);
	SLTNode* tmpnext = (*pphead)->next;
	free(*pphead);
	*pphead = tmpnext;
}

3.8 查找

在这里插入图片描述

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		if (cur->data == x)
			return cur;
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

3.9 在pos位置之后插入x

这里传的pos不是像顺序表那样的下标,而是结点的地址,可以借助find的返回值获取。
在这里插入图片描述

//在pos位置之后插入x
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	assert(pos);

	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	newnode->next = pos->next;
	pos->next = newnode;
}

3.10 在pos位置之前插入x

在这里插入图片描述

//在pos位置之前插入x
void SLTInsertPrev(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	assert(pos);
	if (pos == *pphead)
		SLTPushFront(pphead, x);
	else
	{
		SLTNode* newnode = CreateNode(x);
		SLTNode* cur = *pphead;
		while(cur->next != pos)
		{
			cur = cur->next;
		}
		newnode->next = pos;
		cur->next = newnode;
	}
}

这里进行了一个判断,如果 pos == *pphead,说明pos指向第一个结点,可以直接调用头插。

3.11 删除pos位置之后的值

在这里插入图片描述

//删除pos位置之后的值
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{
	assert(pos);
	if (pos->next == NULL)
	{
		return;
	}
	else
	{
		SLTNode* tmpnext = pos->next->next;
		free(pos->next);
		pos->next = tmpnext;
	}

}

3.12 删除pos位置的值

在这里插入图片描述

//删除pos位置的值
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
	assert(pos);
	assert(*pphead);
	if (pos == *pphead)
	{
		SLTPopFront(pphead);//借用头删
	}
	else
	{
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		prev->next = pos->next;
		free(pos);
		pos=NULL;
	}
}

4. 简单测试

void test4()
{
	SLTNode* phead = NULL;

	SLTPushBack(&phead, 1);
	SLTPushBack(&phead, 2);
	SLTPushBack(&phead, 3);
	SLTPushBack(&phead, 4);
	SLTPushBack(&phead, 5);
	SLTPrint(phead);

	SLTNode* pos = SLTFind(phead, 5);

	SLTErase(&phead, pos);
	SLTPrint(phead);

	SLTDestory(&phead);
}
int main()
{
	test4();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

5. 源码展示

SList.h

#pragma once

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

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;
	struct SListNode* next;
}SLTNode;


//创建新结点
SLTNode* CreateNode(SLTDataType x);
//销毁
void SLTDestory(SLTNode** pphead);
//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead);
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x);
//在pos位置之后插入x
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x);
//在pos位置之前插入x
void SLTInsertPrev(SLTNode** pphead,SLTNode* pos, SLTDataType x);
//删除pos位置之后的值
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos);
//删除pos位置的值
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);

SList.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include "SList.h"

//创建新结点
SLTNode* CreateNode(SLTDataType x)
{
	SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}

//销毁
void SLTDestory(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* cur = *pphead;
	while (cur)
	{
		SLTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	*pphead = NULL;
}

//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	//空表
	if (*pphead == NULL)
	{
		*pphead = newnode;
	}
	//找尾
	else
	{
		SLTNode* tail = *pphead;
		while (tail->next)
		{
			tail = tail->next;
		}
		tail->next = 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;
	}
}

//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	newnode->next = *pphead;
	*pphead = newnode;

}

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	assert(*pphead);
	SLTNode* tmpnext = (*pphead)->next;
	free(*pphead);
	*pphead = tmpnext;
}

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		if (cur->data == x)
			return cur;
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

//在pos位置之后插入x
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	assert(pos);

	SLTNode* newnode = CreateNode(x);
	newnode->next = pos->next;
	pos->next = newnode;
}

//在pos位置之前插入x
void SLTInsertPrev(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	assert(pos);
	if (pos == *pphead)
		SLTPushFront(pphead, x);
	else
	{
		SLTNode* newnode = CreateNode(x);
		SLTNode* cur = *pphead;
		while(cur->next != pos)
		{
			cur = cur->next;
		}
		newnode->next = pos;
		cur->next = newnode;
	}
}

//删除pos位置之后的值
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{
	assert(pos);
	if (pos->next == NULL)
	{
		return;
	}
	else
	{
		SLTNode* tmpnext = pos->next->next;
		free(pos->next);
		pos->next = tmpnext;
	}

}

//删除pos位置的值
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
	assert(pos);
	assert(*pphead);
	if (pos == *pphead)
	{
		SLTPopFront(pphead);
	}
	else
	{
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		prev->next = pos->next;
		free(pos);
		pos=NULL;
	}
}

对单链表的讲解就到这里,欢迎大家指正!!!
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