数据结构与算法—双向链表
目录
一、链表的分类
二、双向链表原理
三、实现双向链表
1、声明链表结构体
2、初始化链表
3、创建新节点
4、打印链表
5、头插&尾插
头插
尾插
6、头删&尾删
头删
尾删
7、 查找节点
8、指定节点前插入
9、删除指定节点
10、销毁链表
完整版
Lisy.h 声明
List.c函数
text.c测试代码
一、链表的分类
实际中链表的结构非常多样，以下情况组合起来就有8种链表结构：
1. 单向或者双向
2. 带头或者不带头（头又叫哨兵位）
3. 循环或者非循环
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：
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。
二、双向链表原理
我们来对比单向链表的结构体，看一下与双向链表的结构体有什么区别：（左单向，右双向）
- 我们可以看出双向链表比单向链表多了一个结构体指针prev，它的作用是存储前一个结点的地址。
- 双向链表的每个节点既可以找到前一个节点，也可以找到后一个节点，
- 此外头节点和尾节点比较特殊，头节点的prev指向尾节点，尾节点的next指向头节点。
- 如果链表只有头节点（也叫哨兵位），那么它的prev和next都指向自己。
三、实现双向链表
1、声明链表结构体
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* next;
struct ListNode* prev;
LTDataType data;
}LTNode;
- 首先构建链表结构体，将链表结点的data数据类型设置别名LTDataType，方便后续修改。
- 定义结构体名称的别名为LTNode。
- 指针next指向该节点的下一个节点，
- 指针prev指向该节点的前一个节点。
- LTDataType类型的data用于存值。
2、初始化链表
LTNode* LTInit()
{
LTNode* phead = BuyLTNode(-1);
phead->prev = phead;
phead->next = phead;
return phead;
}- 函数的目的是创建一个空的双向链表并返回指向链表头部的指针。
- 通过BuyLTNode( )函数为头节点开辟空间，头节点的data值为-1。（后续讲解）
- 初始化时，prev和next均指向头节点。
- 返回值为指针phead。
创建结构体指针，将初始化函数的返回值赋值给结构体指针，即为初始化完成，代码如下：
LTNode* plist = LTInit();这里也可以用二级指针接收链表地址初始化链表。
void LTInit(LTNode** phead)
{
assert(phead);
* phead = BuyLTNode(-1);
(*phead)->prev = *phead;
(*phead)->next = *phead;
(*phead)->data = 0;
}使用该函数初始化时，使用方法也有变化：
LTNode* plist;
LTInit(&plist);3、创建新节点
LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{
LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
if (newnode == NULL) {
perror("malloc fail");
return NULL;
}
newnode->data = x;
newnode->prev = NULL;
newnode->next = NULL;
return newnode;
}- 使用malloc为新节点newnode开辟结构体LTNode大小的空间。
- 开辟失败perror打印错误信息，函数提前结束。
- 为新节点的data赋值为参数x的值，prev、next置空。
- 返回新节点指针。
4、打印链表
void LTPrint(LTNode* phead)
{
assert(phead);
printf("guard<==>");
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead) {
if(cur!=phead->prev)
printf("%d<==>", cur->data);
else
printf("%d\n", cur->data);
cur = cur->next;
}
}- assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 打印字符串 "guard<==>"，用于表示链表的头节点。
- 指针cur指向头节点下一个节点，也就是第一个节点。
- while循环的结束条件为cur指向头节点，双向链表尾部不为空，则循环遍历结束条件为尾结点的next指向头节点时。
- 当cur不指向最后一个节点，打印节点之间的连接符号<==>。
5、头插&尾插
《头插&尾插 和 头删&尾删》我们都可以通过后续的指定位置前插入函数和删除函数实现， 这里进行讲解为了更好得熟悉理解双向链表。
头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
LTNode* first = phead->next;
//下面两块代码的顺序可以颠倒，因为使用指针first储存了原来链表第一个元素的地址
newnode->next = first;
first->prev = newnode;
phead->next = newnode;
newnode->prev = phead;
}- assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 为新节点newnode开辟空间。
- 指针first指向链表原第一个节点。
- 将新节点的next指向原第一个节点，原第一个节点的prev指向新节点。
- 头节点的next指向新节点，新节点的prev指向头节点。
当然下面这种形式也对，只是后两个代码块不能调换顺序，具体原因大家可以画图试一下。
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
newnode->next = phead->next;
phead->next->prev = newnode;
newnode->prev = phead;
phead->next = newnode;
}尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
LTNode* tail = phead->prev;
newnode->next = phead;
phead->prev = newnode;
tail->next = newnode;
newnode->prev = tail;
}
- assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 为新节点newnode开辟空间。
- 指针tail指向尾节点，直接通过头节点phead的prev即可找到尾节点。
- 新节点的next指向头节点，头节点的prev指向新节点。
- 原尾节点的next指向新节点，新节点的prev指向尾节点。
6、头删&尾删
头删
bool LTEmpty(LTNode* phead)
{
assert(phead);
return phead->next == phead;
}
void LTPopFront(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!LTEmpty(phead));
LTNode* first = phead->next;
LTNode* second = first->next;
second->prev = phead;
phead->next = second;
free(first);
}- 借助LTEmpty函数判断链表是否只有头节点，只有头节点则不进行删除。
- 第一个assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 第二个assert通过LTEmpty函数返回值判断是否可以进行删除。
- 定义两个指针first和second分别指向第一个节点和第二个节点。
- 将第二个节点的prev指向头节点。
- 头节点的next指向第二个节点。
- 释放第一个节点的空间。
尾删
void LTPopBack(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!LTEmpty(phead));
LTNode* tail = phead->prev;
LTNode* tailPrev = tail->prev;
free(tail);
tailPrev->next = phead;
phead->prev = tailPrev;
}- 第一个assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 第二个assert通过LTEmpty函数返回值判断是否可以进行删除。
- 定义两个指针tail和tailPrev，分别指向尾节点和尾节点的前一个节点。
- 释放尾节点的空间。
- tailPrev的next指向头节点。
- 头节点的prev指向tailPrev（新的尾节点）。
7、 查找节点
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead) {
if (cur->data == x)
return cur;
cur = cur->next;
}
return NULL;
}- assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 指针cur指向第一个节点。
- 循环遍历链表，节点的data值为x时，返回该节点的地址。
- 找不到则返回NULL。
8、指定节点前插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
assert(pos);
LTNode* prev = pos->prev;
LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
prev->next = newnode;
newnode->prev = prev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}- assert检查节点是否为空，为空则报错。
- 指针prev指向pos节点的前一个节点。
- 为新节点newnode开辟空间，节点的data值为x。
- 将prev的next指向新节点，新节点的prev指向prev。
- 新节点的next指向pos，pos的prev指向新节点。
9、删除指定节点
void LTErase(LTNode* pos)//可以判断phead是否等于哨兵位
{
assert(pos);
LTNode* posPrev = pos->prev;
LTNode* posNext = pos->next;
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
free(pos);
}
- assert检查节点是否为空，为空则报错。
- 定义两个指针posPrev和posNext分别指向 pos的前一个节点和 pos后一个节点。
- 前一个节点posPrev的next指向posNext。
- 后一个节点posNext的prev指向posPrev
- 释放pos节点的空间。
10、销毁链表
void LTDestroy(LTNode** phead)
{
assert(phead);
assert(*phead);
LTNode* cur = (*phead)->next;
while (cur != *phead) {
LTNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(*phead);
*phead = NULL;
}
- assert检查链表是否为空，为空则报错。
- 检查链表头指针
*phead是否为非空，为空则报错。 - 指针cur指向第一个节点，循环内通过cur遍历每个节点。
- next指针记录cur下一个节点，将cur的空间释放，cur更新为next，指向下一个节点。
-
在循环结束后，链表中的所有节点都已经被销毁，最后一步是释放链表头指针
*phead所占用的内存。 -
*phead = NULL最后，将链表头指针设置为NULL，以确保不再引用链表，避免悬挂指针或野指针的问题。
完整版
完整版代码我保留了注释，方便读者学习，以下代码的功能经测试没有问题，放心使用。
Lisy.h 声明
#include
#include
#include
#include
typedef int LTDataType;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* next;
struct ListNode* prev;
LTDataType data;
}LTNode;
//初始化链表
LTNode* LTInit();
//void LTInit(LTNode** phead);
//打印链表
void LTPrint(LTNode* phead);
//头插&尾插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
//头删&尾删
void LTPopFront(LTNode* phead);
void LTPopBack(LTNode* phead);
//查找值为x的节点，返回节点地址
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);
//在指定节点前插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);
//删除指定节点
void LTErase(LTNode* pos);
//销毁链表
void LTDestroy(LTNode** phead); List.c函数
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "List.h"
//创建新节点
LTNode* BuyLTNode(LTDataType x)
{
LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
if (newnode == NULL) {
perror("malloc fail");
return NULL;
}
newnode->data = x;
newnode->prev = NULL;
newnode->next = NULL;
return newnode;
}
//初始化链表
LTNode* LTInit()
{
LTNode* phead = BuyLTNode(-1);
phead->prev = phead;
phead->next = phead;
return phead;
}
//void LTInit(LTNode** phead)
//{
// assert(phead);
// * phead = BuyLTNode(-1);
// (*phead)->prev = *phead;
// (*phead)->next = *phead;
// (*phead)->data = 0;
//}
//打印链表
void LTPrint(LTNode* phead)
{
assert(phead);
printf("guard<==>");
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead) {
if(cur!=phead->prev)
printf("%d<==>", cur->data);
else
printf("%d\n", cur->data);
cur = cur->next;
}
}
//头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
LTInsert(phead->next, x);
}
//void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
//{
// assert(phead);
// LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
// LTNode* first = phead->next;
// //下面两块代码的顺序可以颠倒，因为使用指针first储存了原来链表第一个元素的地址
// newnode->next = first;
// first->prev = newnode;
//
// phead->next = newnode;
// newnode->prev = phead;
//}
//void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
//{
// assert(phead);
// LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
//
// newnode->next = phead->next;
// phead->next->prev = newnode;
//
// newnode->prev = phead;
// phead->next = newnode;
//}
//尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTInsert(phead, x);
}
//void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
//{
// assert(phead);
// LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
// LTNode* tail = phead->prev;
//
// newnode->next = phead;
// phead->prev = newnode;
//
// tail->next = newnode;
// newnode->prev = tail;
//}
//监测链表是否为空
bool LTEmpty(LTNode* phead)
{
assert(phead);
return phead->next == phead;
}
//头删
void LTPopFront(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!LTEmpty(phead));
LTErase(phead->next);
}
//void LTPopFront(LTNode* phead)
//{
// assert(phead);
// assert(!LTEmpty(phead));
//
// LTNode* first = phead->next;
// LTNode* second = first->next;
//
// second->prev = phead;
// phead->next = second;
// free(first);
//}
//尾删
void LTPopBack(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!LTEmpty(phead));
LTErase(phead->prev);
}
//void LTPopBack(LTNode* phead)
//{
// assert(phead);
// assert(!LTEmpty(phead));
// //LTErase(phead->prev);
//
// LTNode* tail = phead->prev;
// LTNode* tailPrev = tail->prev;
//
// free(tail);
// tailPrev->next = phead;
// phead->prev = tailPrev;
//
//}
//查找值为x的节点，返回节点地址
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead) {
if (cur->data == x)
return cur;
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
//在指定节点前插入，与LTFind搭配使用
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
assert(pos);
LTNode* prev = pos->prev;
LTNode* newnode = BuyLTNode(x);
prev->next = newnode;
newnode->prev = prev;
newnode->next = pos;
pos->prev = newnode;
}
// 删除指定节点
void LTErase(LTNode* pos)//可以判断phead是否等于哨兵位
{
assert(pos);
LTNode* posPrev = pos->prev;
LTNode* posNext = pos->next;
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
free(pos);
}
//销毁链表
void LTDestroy(LTNode** phead)
{
assert(phead);
assert(*phead);
LTNode* cur = (*phead)->next;
while (cur != *phead) {
LTNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(*phead);
*phead = NULL;
}
text.c测试代码
#include "List.h"
void test1() {
/*LTNode* plist;
LTInit(&plist);*/
LTNode* plist = LTInit();
LTPushFront(plist, 1);
LTPushFront(plist, 2);
LTPushFront(plist, 3);
LTPushFront(plist, 4);
LTPushBack(plist, 888);
LTPushBack(plist, 888);
LTPopFront(plist);
LTPopBack(plist);
LTNode* pos = LTFind(plist, 888);
LTInsert(pos, 999);
LTErase(pos);
LTPrint(plist);
LTDestroy(&plist);
}
int main()
{
test1();
return 0;
}