（详解）数据结构——带头双向循环链表——顺序表与链表的区别——即附带CPU高速缓存的知识

链表的介绍

链表的结构一共有八种：带头单向循环链表、带头单向非循环链表、带头双向循环链表、带头双向非循环链表、无头单向循环链表、无头单向非循环链表、无头双向循环链表、无头双向非循环链表。
 在这八种结构中，我们只挑两种来进行刨析，即无头单向非循环链表和带头双向循环链表。
 

无头单向非循环链表：结构简单，一般不会用来存储数据。实际上更多是作为其他数据结构的子结构，如哈希桶、图的链接表等等。此外，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。

1.带头双向循环链表的初始化

// 带头+双向+循环链表增删查改实现
typedef int LTDataType;// 存储数据的数据类型
typedef struct ListNode
{
	LTDataType data;
	struct ListNode* next;// 指向下一个节点next
	struct ListNode* pre;// 指向后一个节点pre
}ListNode;

首先我们定义一个能初始化链表的函数，因为头节点不存储有效数据，所以我们不需要对头节点的数据进行初始化，我们只要把链表弄成一个循环就可以，如何循环？head->next指向head，head->pre 指向head
如图：

初始化函数接口

ListNode* ListInit()
{
	ListNode* phead = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));//创建一个头节点
	phead->next = phead;// 造成循环
	phead->pre = phead;//    结构
	return phead;  // 返回头节点地址  
}

因为下面我们要插入数据，每次插入数据都要新增一个节点
所以我们创建一个新增节点函数

//新增节点
ListNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
	ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	newnode->data = x;
	return newnode;
}

2.销毁链表

销毁链表，从头结点的后一个结点处开始向后遍历并释放结点，直到遍历到头结点时，停止遍历并将头结点也释放掉。

//销毁链表
void ListDestroy(ListNode* pHead)
{
	assert(pHead);

	ListNode* cur = pHead->next;//从头结点后一个结点开始释放空间
	ListNode* next = cur->next;//记录cur的后一个结点位置
	while (cur != pHead)
	{
		free(cur);
		cur = next;
		next = next->next;
	}
	free(pHead);//释放头结点
}

3.打印链表

打印链表也是很简单，指针cur从头才是遍历，每到一个节点就打印有效数据，直到遇到pHead指针结束

// 打印链表
void ListPrint(ListNode* pHead)
{
	assert(pHead);
	ListNode* cur = pHead->next;
	while (cur!=pHead)
	{
		printf("%d ", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

4.查找元素

找到对应数据的节点位置，思路：从头遍历直到遇到对应数据，让后返回指针，如果没有那个数据就返回NULL

//寻找节点位置，如果没有那个数据则返回NULL
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;
}

查找数据位置和打印链表思路几乎一样的！

5.删除指定节点

删除节点就是，把节点删了，把前一个结点与后一个节点进行对接，让前后节点有双向关系
如图

void ListErase(ListNode* pos)
{
     assert(pos);
     assert( !ListEmpty(pos));
	ListNode* posnext = pos->next;// 记录后一个
	ListNode* pospre = pos->pre;// 记录前一个
	pospre->next = posnext;//  让前后两节点形成双向关系
	posnext->pre = pospre;
	free(pos); // 删除指定位置
}

6.在指定结点前新增一个节点

思路：
先记录前一个节点，
创建新结点
前一个节点与新结点，形成双向关系
指定结点与新结点，形成双向关系
如图

// 双向链表在pos的前面进行插入
//当pos等pHead时相当于尾插
void ListInsert(ListNode* pos, LTDataType x)
{    
	
	ListNode* newnode = BuyListNode(x);//创建新增节点
	ListNode* posPre = pos->pre;// 记录前一个节点
	posPre->next = newnode;//   前一个节点与新增节点形成双向关系
	newnode->pre = posPre;
	newnode->next = pos;//指定位置节点与新增节点形成双向关系
	pos->pre = newnode;
}

7.头插

通过上述的学习，现在要进行头插 ，我们可以利用ListInsert接口来实现
ListInsert是在目标位置前插入
也就是如果要头插我们只需把第一个节点传给ListInsert即可
如图

//头插
void ListPushFront(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
	assert(pHead);
	// 方法一、
	//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	//ListNode* next = pHead->next;
	//pHead->next = newnode;
	//newnode->pre = pHead;
	//newnode->next = next;
	//next->pre = newnode;
	
	//方法二：调用ListInsert
	ListInsert(pHead->next, x);

}

8.头删

也是和上诉一样的思路

//头删
void ListPopFront(ListNode* pHead)
{
	assert(pHead);
	//if (pHead->next == pHead)
	//{
	//	return;
	//}
	//ListNode* cur = pHead->next;
	//ListNode* next = cur->next;
	//pHead->next = next;
	//next->pre = pHead;

	//free(cur);

	ListErase(pHead->next);
}

9.尾插

我们知道 head->pre就是尾结点
所以说head的前一个节点就尾结点

//尾插
void ListPushBack(ListNode* pHead, LTDataType x)
{
	assert(pHead);
	//ListNode* newnode = BuyListNode(x);
	//ListNode* tail = pHead->pre;
 //   
	//tail->next = newnode;
	//newnode->pre = tail;
	//newnode->next = pHead;
	//pHead->pre = newnode;
	//
	ListInsert(pHead, x);//
}

10.尾删

和尾插一样思路

// 尾删
void ListPopBack(ListNode* pHead)
{
	assert(pHead);
	//if (pHead->next == pHead)
	//{
	//	return;
	//}
	//ListNode* tail = pHead->pre;
	//ListNode* tailPre = tail->pre;
	//free(tail);
	//tailPre->next = pHead;
	//pHead->pre = tailPre;
	ListErase(pHead->pre);
}

链表判空

链表判空，即判断头结点的前驱或是后驱指向的是否是自己即可。

//链表判空
bool ListEmpty(ListNode* phead)
{
	assert(phead);

	return phead->next == phead;//当链表中只有头结点时为空
}

总结：

在写带头双向循环链表时，我们只需写ListInsert ，ListErase，就能轻松写出尾删尾插，头删头插的接口。

顺序表与链表的优缺点

这个两个结构各有优势，很难区分谁更优秀！
严格来说他们俩，是相辅相成的两个结构。

顺序表：

优点：
1.它支持随机访问。需要随机访问结构支持算法可以很好的使用。
2.CPU高速缓存利用率更高。（缓存级的知识）
缺点：
1.头部中部插入删除时间复杂度效率低。O(N)
2.连续的物理空间，空间不够了以后会增容，
增容有两个缺陷：
a、增容有一定程度的消耗(如果开辟时，空间后面不够realloc来开辟，要重新把顺序表里的数据挪动到新顺序表里，然后销毁旧顺序表)
b、为了避免频繁增容，一般我们都按倍数去增，用不完可能存在一定的空间浪费。

链表（双向带头循环链表）：

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。一点都不浪费。
缺点：（一个缺点在很多地方就用不到了，因为在生活中有很多需要排序的地方）
1、不支持随机访问。(用下标访问)意味着一些排序不能使用，二分查找等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。（不碍事）
3、CPU高速缓存命中率更低

小结：
链表能做的事，顺序表都可以完成，只是操作方法不同，效率不同

如果想了解高速缓存命中率这块知识点击下面链接
与程序员相关的CPU缓存知识

不同点	顺序表	链表
存储空间上	物理上一定连续	逻辑上连续，但物理上不一定连 续
随机访问	支持O(1)	不支持：O(N)
任意位置插入或者删除元 素	可能需要搬移元素，效率低O(N)	只需修改指针指向
插入	动态顺序表，空间不够时需要扩 容	没有容量的概念
应用场景	元素高效存储+频繁访问	任意位置插入和删除频繁
缓存利用率	高	低