【数据结构】单双链表超详解！(图解+源码)

屿小夏 ： 个人主页 个人专栏 ： 数据结构解析 莫道桑榆晚，为霞尚满天！

前言

什么是链表？链表有着什么样的结构性？它是怎么实现的？

看完这篇文章，你对链表的理解将会上升新的高度！

️链表概念

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。下面是简单的单链表图。

️链表的分类

链表的结构是多样的，以下的情况组合起来就有8种链表结构！

☁️单向或双向链表

☁️带头或不带头

☁️循环或不循环

☁️常用的链表

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。

️无头单向循环链表（单链表）

☁️单链表的定义

对类型进行重命名，这样以后可以根据自己的实际需求改变数据的类型。

创建一个结构体类型，存储元素数据，然后需要一个同样类型的结构体指针，这个指针可以指向同类型的数据，这样就可以通过指针访问下一个结点的元素。

typedef int SLDatatype;
 
typedef struct SListNode
{
	SLDatatype data;
	struct SListNode* next;
}SListNode;

链表这里定义后可不做初始化。

☁️结点

SListNode* BuySListNode(SLDatatype x)
{
	SListNode* newnode = (SListNode*)malloc(sizeof(SListNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("BuySListNode");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}

在堆区上开辟一个新的结点，给定结点的值，然后初始化，节点是链表较为重要的一部分，没有结点，链表就无法链接。

☁️头插

void SLPushFront(SListNode** phead,SLDatatype x)
{
	SListNode* newnode = BuySListNode(x);
	newnode->next = *phead;
	*phead = newnode;
}

在链表前插入新结点，然后链接到原链表。

☁️尾插

void SLPushBack(SListNode** phead, SLDatatype x)
{
	SListNode* newnode = BuySListNode(x);
	if (*phead == NULL)
	{
		*phead = newnode;
	}
	else
	{
		SListNode* tail = *phead;
		while (tail->next != NULL)
		{
			tail = tail->next;
		}
		tail->next = newnode;
	}
}

在链表末尾插入新结点，使原链表链接到新结点。

☁️查找

SListNode* SListFind(SListNode* phead, SLDatatype x)
{
	assert(phead);
	SListNode* pos = phead;
	while (pos)
	{
		if (pos->data == x)
			return pos;
		pos = pos->next;
	}
	return NULL;
}

给定要查找的链表中的元素，让pos去遍历，找到并返回当前元素的地址。

☁️pos后一位插入

void SListInsertAfter(SListNode** phead, SLDatatype x)
{
	assert(phead);
	assert(*phead);
 
	SListNode* newnode = BuySListNode(x);
	newnode->next = (*phead)->next;
	(*phead)->next = newnode;
}

通过查找找到要插入的位置，在指定位置的后一位插入元素数据。

☁️删除pos后一位

void SListEraseAfter(SListNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert((phead)->next);
 
	SListNode* cur = phead->next;
	phead->next = cur->next;
	free(cur);
	cur = NULL;
}

通过查找找到要删除的位置，删除指定位置后一位的元素数据。

☁️删除pos位置的值

void SListErase(SListNode** phead, SListNode* pos)
{
	assert(pos);
	if (pos == *phead)
	{
		SLPopFront(phead);
	}
	else
	{
		SListNode* cur = *phead;
		while(cur->next != pos)
		{
			cur = cur->next;
		}
		cur->next = pos->next;
		free(pos);
		//pos = NULL;
	}
}

还给定链表的某个结点位置，然后删除，这里的pos可以置空也可以不置空，因为这是临时变量，出了函数就销毁了，好的习惯是可以置空的。

☁️打印

void SLPrint(SListNode* phead)
{
	SListNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

链表不像是数组，不能使用常规的方式来遍历。

☁️链表的释放

当链表不再使用后，我们要对其进行销毁，释放空间内存。

void SListDestroy(SListNode* phead)
{
	SListNode* current = phead;
	SListNode* next = NULL;
 
	while (current != NULL)
	{
		next = current->next;
		free(current);
		current = next;
	}
}

1. 创建两个指针变量current和next，分别指向当前节点和下一个节点。
2. 进入一个循环，循环条件是当前节点current不为NULL。
3. 在循环内部，将next指针指向当前节点的下一个节点。
4. 使用free函数释放当前节点的内存空间。
5. 将current指针指向next，即将下一个节点赋给current，以便继续循环操作。
6. 重复步骤3-5，直到链表中的所有节点都被释放掉。

️带头双向循环链表

☁️带头双向链表简介

双向链表的节点通常包含两个部分：数据部分和指针部分。数据部分用于存储节点所包含的数据，指针部分包含两个指针，一个指向前一个节点，一个指向后一个节点。

​ 双向链表的优点是可以在常数时间内在任意位置插入或删除节点，因为只需要修改相邻节点的指针即可。而在单向链表中，如果要在某个位置插入或删除节点，则需要遍历链表找到该位置的前一个节点。

​ 双向链表相对于单向链表也有一些缺点。首先，双向链表需要额外的指针来存储前一个节点的地址，因此占用的内存空间比单向链表更大。其次，双向链表在插入或删除节点时需要修改两个指针的值，而单向链表只需要修改一个指针的值，因此操作起来更复杂。

到这里，想必大家就对双向链表有了个大概的认识，告诉你个小秘密哦：其实双向链表的实现比单链表要简单上不少，只是在数据的结构上双向链表看起来不让人觉得简单，别怕都是纸老虎，往下看一步步手撕它。

☁️链表主体

☁️链表头部结点

在对链表一系列的操作之前，我们首要需要的就是头结点点，有了头结点后续数据的插入删除都会变得简单。

List* ListCreate()
{
	List* newnode = (List*)malloc(sizeof(List));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->prev = newnode;
	newnode->next = newnode;
	newnode->val = 0;
	return newnode;
}

因为是循环的双向链表，所以头结点初始化的时候，两个指针都是指向自己。

☁️添加新结点

在插入数据中，必不可少的就是结点的创建，然后再链接到表中。新新结点的前后指针均为空，不指向如何结点。

List* BuyListNode(ListDatatype x)
{
	List* newnode = (List*)malloc(sizeof(List));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->val = x;
	newnode->prev = NULL;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}

☁️链表打印

当链表有了数据以后，为了直观的方便我们对数据增删查改的观察，打印就起到了作用。

void ListPrint(List* pead)
{
	assert(pead);
	List* cur = pead->next;
 
	printf("pead:");
	while (cur != pead)
	{
		printf("《=》%d", cur->val);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

☁️头插

void ListPushFront(List* pead, ListDatatype x)
{
	assert(pead);
	List* newnode = BuyListNode(x);
	
	List* cur =pead->next;
	
	pead->next = newnode;
	newnode->prev = pead;
	newnode->next = cur;
	cur->prev = newnode;
	//ListInsert(pead->next, x);这是在pos位置前插入数据，这里可进行复用，后面会有实现
}

新结点的前指针指向前一个节点，后指针指向后一个节点，就进行了链接。

☁️尾插

void ListPushBack(List* pead, ListDatatype x)
{
	assert(pead);
 
	List* newnode = BuyListNode(x);
	List* cur = pead->prev;
 
	pead->prev = newnode;
	newnode->next = pead;
	cur->next = newnode;
	newnode->prev = cur;
	//ListInsert(pead, x);这是在pos位置前插入数据，这里可进行复用，后面会有实现
}

在尾部插入和头插同理，需要改变的只有相邻节点间的指针。

☁️头删

void ListPopFront(List* pead)
{
	assert(pead);
	assert(pead->next !=pead);
	List* cur = pead->next;
	List* second = cur->next;
 
	free(cur);
	pead->next = second;
	second->prev = pead;
}

删除首节点，然后使头部指针指向后一个节点。

☁️尾删

void ListPopBack(List* pead)
{
	assert(pead);
	assert(pead->prev);
	List* cur = pead->prev;
	List* second = cur->prev;
 
	free(cur);
	second->next = pead;
	pead->prev = second;
}

删除尾节点，然后使头部指针与尾节点前的节点链接。

☁️查找

List* ListFind(List* pead, ListDatatype x)
{
	assert(pead);
 
	List* cur = pead->next;
	while (cur != pead)
	{
		if (cur->val == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

给定一个元素的数据，然后在链表中进行遍历，找到后返回元素地址 。

☁️pos位置前插入

void ListInsert(List* pos, ListDatatype x)
{
	assert(pos);
	List* cur = pos->prev;
	List* newnode = BuyListNode(x);
 
	newnode->prev = cur;
	cur->next = newnode;
	newnode->next = pos;
	pos->prev = newnode;
}

通过断言确保输入的位置指针非空。创建新节点，并将其插入到指定位置之前。

• 将指定位置的前一个节点保存为cur。
• 创建一个新节点newnode，并将其数据域初始化为x。
• 将新节点的前驱指针指向cur。
• 将cur的后继指针指向新节点。
• 将新节点的后继指针指向指定位置。
• 将指定位置的前驱指针指向新节点。

☁️删除pos位置结点

void ListErase(List* pos)
{
	assert(pos);
	List* cur = pos->prev;
	List* second = pos->next;
	
	cur->next = second;
	second->prev = cur;
	free(pos);
}

断言确保输入的位置指针非空。将指定位置的前一个节点的后继指针指向指定位置的后一个节点，将指定位置的后一个节点的前驱指针指向指定位置的前一个节点，最后释放指定位置的内存空间。

☁️链表销毁

当链表我们不再需要使用的时候，就需要将其进行销毁，因为这些空间都是在堆上进行开辟的。

void ListDestroy(List* head) 
{
	assert(head);
 
	List* cur = head->next;
	while (cur != head) 
	{
		List* tmp = cur;
		cur = cur->next;
		free(tmp);
	}
	free(head);
}

️链表优缺点总结

☁️优点

1. 动态性：链表的长度可以根据需要进行动态调整，可以方便地进行插入和删除操作，而不需要像数组那样需要预先分配固定大小的内存空间。
2. 灵活性：链表可以存储不同类型的数据，节点之间的连接关系可以根据需要进行调整，可以实现各种复杂的数据结构。
3. 内存利用率高：链表只在需要时分配内存空间，不会浪费额外的内存。

☁️缺点

1. 随机访问的效率低：链表中的元素并不是连续存储的，要访问链表中的某个元素，需要从头节点开始遍历，直到找到目标节点，因此访问某个特定位置的元素的时间复杂度为O(n)，而不是O(1)。
2. 额外的内存开销：链表中每个节点除了存储数据外，还需要额外的指针来连接节点，这会占用额外的内存空间。
3. 不支持随机访问：由于访问链表中的元素需要遍历，因此无法像数组那样通过索引直接访问某个元素，这在某些应用场景下可能会造成不便。

️全篇总结

本文对两种最常用到的链表形式进行了讲解,多方面由浅入深，让你真正掌握链表！

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