数据结构与算法(C语言版)P3.2---链表之带头双向循环链表的实现
1、前言
前面一章详细介绍了链表的概念、结构以及分类。并且实现了无头单向非循环链表。
这一篇主要实现带头双向循环链表的。由于需要串联前面的知识，把上一篇至此：链表之无头单向非循环链表的实现
2、带头双向循环链表的特性和结构
2.1、结构
（1）、每个结点有两个指针域（next，prev），一个数据域（data）。
（2）前面结点的next指针域指向后一个结点的地址，并且后一个结点的prev指针域指向前一个结点的地址。
（3）头结点的prev指针域指向尾节点的地址，并且尾节点的next指针域指向头结点地址。
由以上复杂的结构构成了带头双向循环链表。
2.2、特性
带头双向循环链表：结构复杂，使用简单。一般用在单独存储数据。实际中使用的链表结构，都是带头双向链表，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。
为什么说带头双向循环链表的使用简单呢？
其中有一个原因就是"带头"。
那这里就不得不说链表中带头结点（哨兵位）的好处了。
3、带头结点和不带头结点的区别
链表中带哨兵位和不带哨兵位的主要区别在于对边界条件的处理。下面是它们的一些区别：
哨兵位：
- 带哨兵位的链表在头节点之前插入一个特殊的节点，称为哨兵节点或者虚拟头节点。
- 哨兵节点的值一般为空，它的存在使得链表的操作更加简单，避免了很多边界条件的判断。
- 带哨兵位的链表通常有更统一的代码结构，操作起来更加方便。
边界条件处理：
- 不带哨兵位的链表需要特殊处理空链表和只有一个节点的情况。
- 在不带哨兵位的链表中，需要单独对头节点为空或者只有一个节点的情况进行处理，增加了代码编写和维护的复杂度。
空间开销：
- 带哨兵位的链表相比不带哨兵位的链表会多占用一个节点的空间。
总结来说就是，如果使用带哨兵位的链表，我们在遇见插入和删除结点的操作时不用再特殊考虑一些边界情况。比如：没有头结点，只有一个结点或者有多个结点时的3种情况。
所以说使用带哨兵位可以降低链表的难度。
那下面就来实现带头双向循环链表。
4、带头双向循环链表的实现
主要实现接口功能：
- 哨兵位初始化（ListInit）
- 扩容（BuyListNode）
- 头插（ListPushFront）
- 打印（ListPrint）
- 销毁（ListDestroy）
- 头删（ListPopFront）
- 尾插（ListPushBack）
- 尾删（ListPopBack）
- 查询指定pos位置元素（ListFind）
- 在pos位置之前插入（ListInsert）
- 删除pos位置结点（ListErase）
4.1、定义结构体
#pragma once
#include next指针变量用于本结点链接后继节点。
prev指针变量用于本结点链接前继节点。
data变量用于存储数据。
4.2、哨兵位初始化
LNode* ListInit()
{
LNode* phead = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
这里的哨兵位初始化，一定要注意，由于带头双向循环链表结构的特殊性，哨兵位的首尾是相连的。所以我们需要将哨兵位的next和prev都指向本身。
4.3、扩容
扩容的思想千篇一律，不在介绍。
LNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
LNode* newnode = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail\n");
exit(-1);
}
newnode->data = x;
newnode->next = newnode->prev = NULL;
return newnode;
}
4.4、头插
除了要考虑相邻结点之间的链接，这里还要考虑首结点和尾节点的首尾相连。
void ListPushFront(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LNode* newnode = BuyListNode(x);
newnode->next = phead->next;
phead->next->prev = newnode;
phead->next = newnode;
newnode->prev = phead;
}
4.5、打印
这里打印接口说明一下，和无头单向非循环相比，这里的while循环结束的条件不同。因为带头双向循环链表结点是首尾相连的，所以这里的尾节点不在是NULL了，而phead，所以当cur == phead说明链表遍历结束。
void ListPrint(LNode* phead)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
printf("%d ", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
4.6、销毁
while循环条件结束和打印接口的一样，都是cur == phead时链表遍历结束。
void ListDestroy(LNode* phead)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
LNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
}
4.7、以上接口功能测试
实现了头插，打印，销毁，扩容，初始化等接口功能，就可以测试以下基本插入程序了。
#include "list.h"
void TestList1()
{
LNode* plist = ListInit();
ListPushFront(plist, 1);
ListPushFront(plist, 2);
ListPushFront(plist, 3);
ListPushFront(plist, 4);
ListPushFront(plist, 5);
ListPushFront(plist, 6);
ListPrint(plist);
ListDestroy(plist);
}
int main()
{
TestList1();
return 0;
}
输出：
基础接口功能没问题，继续向下完善。
4.8、头删
void ListPopFront(LNode* phead)
{
//断言是否只有哨兵位
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
LNode* first = phead->next;
LNode* second = first->next;
phead->next = second;
second->prev = phead;
free(first);
}
4.9、尾插
这里需要说明，在以往的无头单向非循环链表中，我们需要依次向后遍历的找尾节点。但是在这里找为节点是很简单的操作。因为带头双向循环链表时首位结点相互链接的。哨兵位的prev指向的就是尾节点。
void ListPushBack(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LNode* newnode = BuyListNode(x);
LNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
newnode->prev = tail;
phead->prev = newnode;
newnode->next = phead;
}
4.10、尾删
void ListPopBack(LNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
LNode* tail = phead->prev;
LNode* tailPrev = tail->prev;
free(tail);
phead->prev = tailPrev;
tailPrev->next = phead;
}
4.11、查询指定pos位置元素，返回结点地址pos
LNode* ListFind(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur)
{
if (x == cur->data)
{
return cur;
}
else
{
cur = cur->next;
}
}
return NULL;
}
4.12、在pos位置之前插入
核心思想：记录pos前继结点，然后依次链接即可。
void ListInsert(LNode* pos,LTDataType x)
{
assert(pos);
LNode* newnode = BuyListNode(x);
LNode* posPrev = pos->prev;
posPrev->next = newnode;
newnode->prev = posPrev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
4.13、删除pos位置
核心思想：记录pos的前继、后驱结点，然后依次链接即可。
void ListErase(LNode* pos)
{
assert(pos);
LNode* posPrev = pos->prev;
LNode* posNext = pos->next;
free(pos);
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
}
那到此为止带头双向循环链表的基础接口就实现完毕了。
其实在进行__头插、头删、尾插、尾删__的时候有个高级的处理方式。就是借助__ListFind、ListInsert、ListErase__接口进行处理。下面我们来具体写代码演示。
5、头插、头删、尾插、尾删的高级实现方式
5.1、头插
核心思想：ListInsert接口本身就是完成指定pos位置之前的插入。如果我们想要在头插种使用，那只需要传参头结点后驱结点的地址即可。在头结点的后驱结点使用ListInsert就是头插。
void ListPushFront(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
/*
LNode* newnode = BuyListNode(x);
newnode->next = phead->next;
phead->next->prev = newnode;
phead->next = newnode;
newnode->prev = phead;
*/
//使用ListInsert接口完成头插功能
ListInsert(phead->next, x);
}
5.2、头删
void ListPopFront(LNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
/*
LNode* first = phead->next;
LNode* second = first->next;
phead->next = second;
second->prev = phead;
free(first);
*/
//使用ListErase接口完成头删功能
ListErase(phead->next);
}
5.3、尾插
核心思想：这里有个地方难理解。为什么我们使用ListInsert接口函数进行尾插，需要传参phead？我们不应该传尾节点的地址吗？那是因为带头双向循环链表的首位结点时相连的，因为phead就是尾节点的地址，所以就需要传参phead。
void ListPushBack(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
/*
LNode* newnode = BuyListNode(x);
LNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
newnode->prev = tail;
phead->prev = newnode;
newnode->next = phead;
*/
//使用ListInsert接口完成尾插功能
ListInsert(phead,x);
}
5.4、尾删
void ListPopBack(LNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
/*
LNode* tail = phead->prev;
LNode* tailPrev = tail->prev;
free(tail);
phead->prev = tailPrev;
tailPrev->next = phead;
*/
//使用ListErase接口完成尾删功能
ListErase(phead->prev);
}
至此带头双向循环链表主要功能已全部实现，下面展示全代码验证其正确性。
6、全代码展示
这里使用三个文件：
- list.h：用于结构体、各种函数接口的声明
- list.c：用于各种函数接口的定义。
- test.c：用于创建链表，实现链表。
6.1、list.h
#pragma once
#include 6.2、list.c
#include "list.h"
//哨兵位初始化
LNode* ListInit()
{
LNode* phead = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
//扩容
LNode* BuyListNode(LTDataType x)
{
LNode* newnode = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail\n");
exit(-1);
}
newnode->data = x;
newnode->next = newnode->prev = NULL;
return newnode;
}
//头插
void ListPushFront(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
/*
LNode* newnode = BuyListNode(x);
newnode->next = phead->next;
phead->next->prev = newnode;
phead->next = newnode;
newnode->prev = phead;
*/
//使用ListInsert接口完成头插功能
ListInsert(phead->next, x);
}
//打印
void ListPrint(LNode* phead)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
printf("%d ", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
//销毁
void ListDestroy(LNode* phead)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
LNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
}
//头删
void ListPopFront(LNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
/*
LNode* first = phead->next;
LNode* second = first->next;
phead->next = second;
second->prev = phead;
free(first);
*/
//使用ListErase接口完成头删功能
ListErase(phead->next);
}
//尾插
void ListPushBack(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
/*
LNode* newnode = BuyListNode(x);
LNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
newnode->prev = tail;
phead->prev = newnode;
newnode->next = phead;
*/
//使用ListInsert接口完成尾插功能
ListInsert(phead,x);
}
//尾删
void ListPopBack(LNode* phead)
{
assert(phead);
assert(phead->next != NULL);
/*
LNode* tail = phead->prev;
LNode* tailPrev = tail->prev;
free(tail);
phead->prev = tailPrev;
tailPrev->next = phead;
*/
//使用ListErase接口完成尾删功能
ListErase(phead->prev);
}
//查询指定pos位置元素，返回结点pos地址
LNode* ListFind(LNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LNode* cur = phead->next;
while (cur)
{
if (x == cur->data)
{
return cur;
}
else
{
cur = cur->next;
}
}
return NULL;
}
//在pos位置之前插入
void ListInsert(LNode* pos,LTDataType x)
{
assert(pos);
LNode* newnode = BuyListNode(x);
LNode* posPrev = pos->prev;
posPrev->next = newnode;
newnode->prev = posPrev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
//删除当前pos位置结点
void ListErase(LNode* pos)
{
assert(pos);
LNode* posPrev = pos->prev;
LNode* posNext = pos->next;
free(pos);
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
}
6.3、test.c
#include "list.h"
void TestList1()
{
LNode* plist = ListInit();
ListPushFront(plist, 11);
ListPushFront(plist, 22);
ListPushFront(plist, 33);
ListPushFront(plist, 44);
ListPushFront(plist, 55);
ListPushFront(plist, 66);
ListPopBack(plist);
//LNode* pos = ListFind(plist, 4);
//ListErase(pos);
ListPrint(plist);
ListDestroy(plist);
}
int main()
{
TestList1();
return 0;
}