带头双向循环链表
带头双向循环链表
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- 一、带头双向链表的基本实现
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- 1.前期准备
- 2.初始化链表
- 3.打印链表
- 4.销毁链表
- 5.插入新结点
- 6.头插
- 7.头删
- 8.尾插
- 9.尾删
- 10.任意位置前插入
- 11.任意位置删除
- 12.查找元素
- 13.整体代码的实现
- 二、顺序表和链表的区别
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- （1）顺序表
-
- 1.顺序表的优点：
- 2.顺序表的缺点：
- （2）链表（双向带头循环链表）
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- 1.链表的优点：
- 2.链表的缺点：
- 三、缓存命中率
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一、带头双向链表的基本实现
1.前期准备
带头双向循环链表
特点：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。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。
了解带头双向循环链表后，我们开始实现这个链表的基本操作了，首先我们准备好三个文件：
1.List.h :用来包含头文件和函数的声明
2.List.c :用来对函数的定义
3.test.c :用来实现函数，整体的逻辑
在List.h文件中，定义一个双向带头循环链表的结构：
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
LTDataType data; //数据
struct ListNode* next; //指向下一个结点
struct ListNode* prev; //指向前一个结点
}ListNode;
2.初始化链表
ListNode* ListInit()
{
//定义了一个带哨兵卫的头节点，哨兵卫的结点不存储有效数据
ListNode* phead = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
//头节点的next指向自己，头节点的前一个也指向自己
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
3.打印链表
void ListPrint(ListNode* phead)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
//cur指向phead时就结束，如果不结束会导致死循环，因为这个链表是循环链表，头节点指向尾结点，尾结点指向头节点
while (cur != phead)
{
printf("%d ", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
4.销毁链表
void ListDestroy(ListNode* phead)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
//把cur指向的下一个结点保存起来，然后销毁cur，再让cur指向next,直到cur指向phead结束
ListNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
phead = NULL;
}
5.插入新结点
每次插入数据都需要开辟新节点，为了方便使用，我们定义了一个BuyListNode函数来进行封装。
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
//开辟新节点newnode
ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
//让newnode的值为x，然后让newnode的next和prev都指向空
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
newnode->prev = NULL;
return newnode;
}
6.头插
开辟newnode新结点，先把head的next存到posnext，然后让newnode的next指向posnext，posnext的prev指向newnode，然后让newnode的prev指向head，让head的next指向newnode;这样头插就完成了，这里没有传二级指针的原因是不需要改变结点的内容，我们只需要改变结点的结构就行了。
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x)
{
//1.方法：没有定义指针（定义指着后更理解）
//assert(phead);
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//newnode->next = phead->next;
//phead->next->prev = newnode;
//newnode->prev = phead;
//phead->next = newnode;
//2.方法：定义指针存放结点
//assert(phead);
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//ListNode* next = phead->next;
//phead->next = newnode;
//newnode->prev = phead;
//newnode->next = next;
//next->prev = newnode;
//3.复用ListInsert
ListInsert(phead->next, x);
}
7.头删
先保存head的next到next指针里面（为方便后面的销毁），然后再把next的next的结点保存到nextNext结点中，然后就可以修改指针的结构了，head的next指向nextNext，nextNext的prev指向head； 最后销毁next结点。
void ListPopFront(ListNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != phead);
//ListNode* next = phead->next;
//ListNode* nextNext = next->next;
//phead->next = nextNext;
//nextNext->prev = phead;
//free(next);
//3.对ListErase的复用
ListErase(phead->next);
}
8.尾插
方法1的逻辑：
先用tail指针把head的prev保存起来（就是尾结点），然后开辟新节点，让tail的next指向newnode，newnode的prev指向tail，然后让newnode的next指向head，head的prev指向newnode；
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x)
{
//1.方法
//assert(phead);
//ListNode* tail = phead->prev;
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//tail->next = newnode;
//newnode->prev = tail;
//newnode->next = phead;
//phead->prev = newnode;
//2.为啥尾插是phead,而尾删是phead->prev？首先我们要理解进行尾插时，我们写的插入是在pos的前一个位置插入（画图理解）
ListInsert(phead, x);
}
复用ListInsert的逻辑：
9.尾删
先把head的prev保存到tail指针中（方便后面释放），然后把tail的prev保存到tailprev中，再改变结点的结构，让tailprev的next指向head，head的prev指向tailprev；最后释放tail。
void ListPopBack(ListNode* phead)
{
assert(phead);
//表示链表为空，不能删除
assert(phead->next != phead);
//1.方法
//ListNode* tail = phead->prev;
//ListNode* tailprev = tail->prev;
//tailprev->next = phead;
//phead->prev = tailprev;
//free(tail);
//2.复用ListErase
ListErase(phead->prev);
}
10.任意位置前插入
先把pos的prev保存到posprev中，然后让posprev的next指向newnode，newnode的prev指向posprev，在把newnode的next指向pos，pos的prev指向newnode；
//pos位置之前插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
assert(pos);
ListNode* posprev = pos->prev;
ListNode* newnode = BuyListNode(x);
posprev->next = newnode;
newnode->prev = posprev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
11.任意位置删除
先把pos的next位置保存到posnext中，把pos的prev保存到posprev中，然后让posprev的next指向posnext，posnext的prev指向posprev；最后释放pos位置。
void ListErase(ListNode* pos)
{
assert(pos);
ListNode* posnext = pos->next;
ListNode* posprev = pos->prev;
posprev->next = posnext;
posnext->prev = posprev;
free(pos);
pos = NULL;
}
12.查找元素
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
//cur指向phead时就结束，如果不结束会导致死循环，因为这个链表是循环链表，头节点指向尾结点，尾结点指向头节点
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
13.整体代码的实现
List.h文件
#pragma once
#includeList.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
ListNode* ListInit()
{
ListNode* phead = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
newnode->prev = NULL;
return newnode;
}
void ListPushBack(ListNode* phead, LTDataType x)
{
//1.
//assert(phead);
//ListNode* tail = phead->prev;
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//tail->next = newnode;
//newnode->prev = tail;
//newnode->next = phead;
//phead->prev = newnode;
//2.为啥尾插是phead,而尾删是phead->prev？首先我们要理解进行尾插时，我们写的插入是在pos的前一个位置插入，（画图理解）
ListInsert(phead, x);
}
void ListPopBack(ListNode* phead)
{
assert(phead);
表示链表为空，不能删除
assert(phead->next != phead);
//1.
//ListNode* tail = phead->prev;
//ListNode* tailprev = tail->prev;
//tailprev->next = phead;
//phead->prev = tailprev;
//free(tail);
//2.
ListErase(phead->prev);
}
void ListPushFront(ListNode* phead, LTDataType x)
{
//1.
//assert(phead);
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//newnode->next = phead->next;
//phead->next->prev = newnode;
//newnode->prev = phead;
//phead->next = newnode;
//2.
//assert(phead);
//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
//ListNode* next = phead->next;
//phead->next = newnode;
//newnode->prev = phead;
//newnode->next = next;
//next->prev = newnode;
//3.
ListInsert(phead->next, x);
}
void ListPopFront(ListNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != phead);
//ListNode* next = phead->next;
//ListNode* nextNext = next->next;
//phead->next = nextNext;
//nextNext->prev = phead;
//free(next);
//3.
ListErase(phead->next);
}
void ListPrint(ListNode* phead)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
printf("%d ", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
ListNode* ListFind(ListNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
//pos位置之前插入
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{
assert(pos);
ListNode* posprev = pos->prev;
ListNode* newnode = BuyListNode(x);
posprev->next = newnode;
newnode->prev = posprev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
//删除pos位置
void ListErase(ListNode* pos)
{
assert(pos);
ListNode* posnext = pos->next;
ListNode* posprev = pos->prev;
posprev->next = posnext;
posnext->prev = posprev;
free(pos);
pos = NULL;
}
void ListDestroy(ListNode* phead)
{
assert(phead);
ListNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
ListNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
phead = NULL;
}
test.c文件
#include"List.h"
void menu()
{
printf("*******************************************\n");
printf("****** 1.头插 2.头删 ******\n");
printf("****** 3.尾插 4.尾删 ******\n");
printf("****** 5.任意位置前插入 6.任意位置删除 ******\n");
printf("****** 7.打印 8.修改 ******\n");
printf("****** 0.退出 ******\n");
printf("*******************************************\n");
}
int main()
{
ListNode* plist = ListInit();
int option = -1;
while (option)
{
menu();
printf("请输入你要执行的选项: ");
scanf("%d", &option);
if (option == 1)
{
int data = 0;
printf("请输入你要头插的数字：");
scanf("%d", &data);
ListPushFront(plist, data);
ListPrint(plist);
}
else if (option == 2)
{
int data = 0;
printf("请输入你要头删的数字：");
scanf("%d", &data);
ListPopFront(plist);
ListPrint(plist);
}
else if (option == 3)
{
int data = 0;
printf("请输入你要尾插的数字：");
scanf("%d", &data);
ListPushBack(plist, data);
ListPrint(plist);
}
else if (option == 4)
{
int data = 0;
printf("请输入你要尾删的数字：");
scanf("%d", &data);
ListPopBack(plist);
ListPrint(plist);
}
else if (option == 5)
{
int data = 0;
int n = 0;
printf("请输入你要插入的位置：");
scanf("%d", &n);
ListNode* pos = ListFind(plist, n);
if (pos)
{
printf("请输入你要在指定位置插入的数字：");
scanf("%d", &data);
ListInsert(pos, data);
ListPrint(plist);
}
}
else if (option == 6)
{
int data = 0;
printf("请输入你要在pos位置删除的数字：");
scanf("%d", &data);
ListNode* pos = ListFind(plist, data);
if (pos)
{
ListErase(pos);
ListPrint(plist);
}
}
else if (option == 7)
{
ListPrint(plist);
}
else if (option == 8)
{
printf("请输入你要修改的元素：");
int data = 0;
scanf("%d", &data);
ListNode* pos = ListFind(plist, data);
if (pos)
{
printf("请输入你要修改的值：");
int val = 0;
scanf("%d", &val);
pos->data = val;
ListPrint(plist);
}
else
{
printf("元素不存在\n");
}
}
else if (option == 0)
{
printf("退出链表");
ListDestroy(plist);
}
else
{
printf("无此选项\n");
}
}
return 0;
}
实现结果：
二、顺序表和链表的区别
（1）顺序表
1.顺序表的优点：
1.支持随机访问（用下标访问），需要随机访问结构支持算法可以很好的适用；
2.cpu高速缓存利用率更高；（下面有简单的讲解）
2.顺序表的缺点：
1.头部和中部插入删除时间效率低，时间复杂度：O(N);
2.连续的物理空间，空间不够需要扩容
a.增容有一定的程度消耗
b.为了避免频繁增容，一般我们都按倍数去增，如果用不完则存在一定的空间浪费
（2）链表（双向带头循环链表）
1.链表的优点：
1.任意位置插入删除效率高 O(1);
2.按需申请释放空间;
2.链表的缺点：
1.不支持随机访问（不支持使用下标访问），意味着一些排序，二分查找在这种结构上不适用;
2.链表存储一个值，同时要存储链接指针，也有一定的消耗;
3.cpu高速缓存命中率更低;
三、缓存命中率
在内存中，数组是一块连续的物理空间，而指针是一块非连续的物理空间；当CPU执行指令，分别遍历顺序表和链表时，对于CPU来说，它是不会一个字节一个字节的加载的，因为这非常没有效率，一般来说都是要一块一块的加载的CPU的周围有三个高速缓冲存储器和一个寄存器，缓存基本上来说就是把后面的数据加载到离自己近的地方。
假设CPU一次取100个字节，那么在遍历顺序表时，第一次不命中，第二次就可以把顺序表中的数据全部拿到，也就是第二次全部命中。
在访问链表中的数据时，链表中的地址不是一块连续的空间，第一次不命中，所以在访问第2，3，4，5次时很可能全部都不命中，而且还会带来缓存的污染。
缓存污染：在访问链表中的数据时，如果一直没有访问到指定数据，会有数据一直被加载到缓存中去，缓存中的大小是有限的，假设你一次加载了100个字节进去，但是实际上只有20个字节是你要的数据，剩下的80个字节是谁的也不知道，也不会被访问，还会把缓存的空间给占用了，这就叫缓存污染。