数据结构-双向链表
1.带头双向循环链表：
前面我们已经知道了链表的结构有8种，我们主要学习下面两种：
前面我们已经学习了无头单向非循环链表，今天我们来学习带头双向循环链表：
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
带头双向循环链表不需要二级指针，因为我们刚开始就为其开辟了一个节点，叫做哨兵位头节点，它是结构体中的指针，用结构体指针就能改变它，而要改变结构体外面的指针才会用二级指针。
双向循环链表顾名思义，除了哨兵位头节点以外，每个节点里面应该有两个指针，下面我们定义一个结构体：
typedef int ListDatatype;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* prev;
struct ListNode* next;
ListDatatype data;
}LTNode;prev指向前一个节点，next指向后一个节点。
2. 带头双向循环链表的实现：
双向链表初始化：
LTNode* InitList()
{
LTNode* phead = BuyList(-1);
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}双向循环链表开始时头和尾都指向自己：
BuyList函数的功能是创建节点，我们在初始化时用它创建哨兵位头节点，因为后面还有多次使用，所以把它封装为函数。
双向链表打印：
void Print(LTNode* phead)
{
LTNode*cur = phead->next;
printf("guard<->");
while (cur != phead)
{
printf("%d<->", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}开辟节点函数：
LTNode* BuyList(ListDatatype x)
{
LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc fail");
return NULL;
}
newnode->prev = NULL;
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
return newnode;
}双向链表头插：
头插实际是在哨兵位头节点phead的后面插入，保存住head->next的位置，然后把newnode前后分别和head、head->next链接起来就行。
代码如下：
void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* next = phead->next;
phead->next = newnode;
next->prev = newnode;
newnode->next = next;
newnode->prev = phead;
}这段代码神奇的地方在于，即使链表为空，它也能头插，并且不需要判断链表是否为空：
因为就算链表为空，我们有哨兵位头节点存在，就不用担心空指针的问题。
双向链表尾插：
双向链表相对于单链表的优势就是不用找尾，因为它的phead->prev就是尾，尾插同头插差不多， 把newnode的前后分别和链表的尾和头链接起来即可。
代码如下：
void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
phead->prev = newnode;
newnode->prev = tail;
newnode->next = phead;
}和头插一样，尾插也不用判断链表为空的情况。
双向链表头删：
头删指的是删除哨兵位头节点后面一个节点，只要将头节点与要删除的节点后面的节点相连接，然后free掉要删除的节点即可。
代码如下：
void ListPopFront(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!ListEmpty(phead));
LTNode* cur = phead;
LTNode* first = cur->next;
LTNode* second = first->next;
second->prev = phead;
phead->next = second;
free(first);
}删除时要注意不能删除哨兵位头节点，所以要断言一下，链表为空就不能再删了，我们也可以封装一个判断链表是否为空的函数ListEmpty():
bool ListEmpty(LTNode* phead)
{
assert(phead);
return phead->next == phead;
}bool类型的返回值是true或者false。
双向链表尾删：
尾删要保存尾节点的前一个节点，然后把前一个节点和头节点链接起来，free尾节点即可。
代码如下：
void ListPopBack(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!ListEmpty(phead));
LTNode* tail = phead->prev;
LTNode* tailPrev = tail->prev;
tailPrev->next = phead;
phead->prev = tailPrev;
free(tail);
}注意：同头删一样，尾删也要判断是否为空链表。
双向链表查找：
双向循环链表的查找和单链表的查找不同，遍历时从head的下一个节点开始，到head的上一个节点（即尾节点）结束，所以判断条件有所不同，注意区分。找到时，返回该节点位置。
代码如下：
LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}双向链表在pos之前插入：
保存pos的前一个节点，把newnode的前后分别与pos的前一个节点和pos链接起来即可。
要测试该功能，可以配合查找函数，先找到pos。
代码如下：
void ListInsert(LTNode* pos, ListDatatype x)
{
assert(pos);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* posPrev = pos->prev;
newnode->next = pos;
newnode->prev = posPrev;
posPrev->next = newnode;
pos->prev = newnode;
}这段代码可以直接在头插和尾插中复用，也就是说，我们要实现头插、尾插和任意位置插入，只用这一个函数就可以解决。
头插：
ListInsert(phead->next, x);尾插：
ListInsert(phead, x);
双向链表在pos位置删除：
配合查找函数先找到pos位置，然后删除就行。
代码如下：
void ListErase(LTNode* pos)
{
assert(pos);
LTNode* posPrev = pos->prev;
LTNode* posNext = pos->next;
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
free(pos);
}这段代码也可以同时实现头删、尾删和任意位置删除：
头删：
ListErase(phead->next);尾删：
ListErase(phead->prev);
双向链表的销毁：
销毁也是从哨兵位的下一个节点开始，注意每次都要保存要销毁节点的后面一个节点的位置，防止找不到后面的节点，最终要把哨兵位也销毁掉。
代码如下：
void ListDestory(LTNode* phead)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
LTNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
}以上就是双向链表的全部功能实现，下面给出完整代码：
3.完整代码：
test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
//测试
ListTest1()
{
LTNode* plist = InitList();
Print(plist);
//头插
ListPushFront(plist, 1);
ListPushFront(plist, 2);
ListPushFront(plist, 3);
ListPushFront(plist, 4);
Print(plist);
//尾插
ListPushBack(plist, 5);
ListPushBack(plist, 6);
ListPushBack(plist, 7);
ListPushBack(plist, 8);
Print(plist);
//头删
ListPopFront(plist);
ListPopFront(plist);
Print(plist);
//尾删
ListPopBack(plist);
ListPopBack(plist);
Print(plist);
//在pos位置之前插入
LTNode* pos = ListSearch(plist, 1);
if (pos != NULL)
ListInsert(pos, 666);
Print(plist);
//在pos位置删除
pos = ListSearch(plist, 6);
if(pos!=NULL)
ListErase(pos);
Print(plist);
}
int main()
{
ListTest1();
return 0;
}List.h
#pragma once
#include
#include
#include
#include
typedef int ListDatatype;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* prev;
struct ListNode* next;
ListDatatype data;
}LTNode;
//双向链表初始化
LTNode* InitList();
//双向链表打印
void Print(LTNode* phead);
//双向链表头插
void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x);
//双向链表尾插
void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x);
//双向链表头删
void ListPopFront(LTNode* phead);
//双向链表尾删
void ListPopBack(LTNode* phead);
//双向链表查找
LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x);
//在pos位置之前插入
void ListInsert(LTNode*pos, ListDatatype x);
//在pos位置删除
void ListErase(LTNode* pos);
//销毁链表
void ListDestory(LTNode* phead); List.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
//开辟节点函数
LTNode* BuyList(ListDatatype x)
{
LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc fail");
return NULL;
}
newnode->prev = NULL;
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
return newnode;
}
//双向链表初始化
LTNode* InitList()
{
LTNode* phead = BuyList(-1);
phead->next = phead;
phead->prev = phead;
return phead;
}
//打印函数
void Print(LTNode* phead)
{
LTNode*cur = phead->next;
printf("guard<->");
while (cur != phead)
{
printf("%d<->", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
//双向链表头插
void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* next = phead->next;
phead->next = newnode;
next->prev = newnode;
newnode->next = next;
newnode->prev = phead;
/*ListInsert(phead->next, x);*/
}
//双向链表尾插
void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* tail = phead->prev;
tail->next = newnode;
phead->prev = newnode;
newnode->prev = tail;
newnode->next = phead;
/*ListInsert(phead, x);*/
}
//判断空链表函数
bool ListEmpty(LTNode* phead)
{
assert(phead);
return phead->next == phead;
}
//双向链表头删
void ListPopFront(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!ListEmpty(phead));
LTNode* cur = phead;
LTNode* first = cur->next;
LTNode* second = first->next;
second->prev = phead;
phead->next = second;
free(first);
/*ListErase(phead->next);*/
}
//双向链表尾删
void ListPopBack(LTNode* phead)
{
assert(phead);
assert(!ListEmpty(phead));
LTNode* tail = phead->prev;
LTNode* tailPrev = tail->prev;
tailPrev->next = phead;
phead->prev = tailPrev;
free(tail);
/*ListErase(phead->prev);*/
}
//双向链表查找
LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
if (cur->data == x)
{
return cur;
}
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
//双向链表在pos之前插入
void ListInsert(LTNode* pos, ListDatatype x)
{
assert(pos);
LTNode* newnode = BuyList(x);
LTNode* posPrev = pos->prev;
newnode->next = pos;
newnode->prev = posPrev;
posPrev->next = newnode;
pos->prev = newnode;
}
//双向链表在pos位置删除
void ListErase(LTNode* pos)
{
assert(pos);
LTNode* posPrev = pos->prev;
LTNode* posNext = pos->next;
posPrev->next = posNext;
posNext->prev = posPrev;
free(pos);
}
//双向链表销毁
void ListDestory(LTNode* phead)
{
assert(phead);
LTNode* cur = phead->next;
while (cur != phead)
{
LTNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
free(phead);
}4.测试：
5.顺序表和链表的区别
| 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 |
总结一下：
下面我们再来补充一些内容：
这里有个问题，在计算机中使用顺序表效率高还是使用链表效率高呢？
答案是：顺序表。
因为在计算机中，由于运行速度不匹配的问题，CPU不会直接和主存交换数据，而是先把数据从主存中取出来放到高速缓存中，然后再进行访问数据，而访问数据会出现两种情况：
1.如果数据在缓存中，就叫做缓存命中，可以直接访问。
2.如果数据不在缓存中，就叫做缓存不命中，这时候需要先把数据加载到缓存中，然后再访问数据。
当缓存不命中时，计算机会把数据加载到缓存中，而加载时会将这个数据后面的数据也一起加载进去（局部性原理），如果是顺序表，因为它的内存空间是连续的，后面的数据会直接命中，这样它的缓存命中率就高；如果是链表，它一旦命中不了，也会加载一段数据，但是这些数据不一定会用，这就造成了浪费，还会导致数据污染，这样它的缓存命中率就低了。
这就是今天关于双向链表的全部内容了，未完待续。。。