数据结构第二章-线性表（详细知识点总结）
目录
- 第二章 线性表
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- 2.1 线性表的定义和操作
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- 2.1.1 线性表的定义
- 2.1.2 线性表的基本操作
- 2.2线性表的顺序表示
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- 2.2.1 顺序表的定义
- 2.2.2 顺序表上基本操作的实现
- 2.3 线性表的链式表示
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- 2.3.1 单链表的定义
- 2.3.2 单链表上基本操作的实现
- 2.3 双链表
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- 2.3.4 循环链表
- 2.3.5 静态链表
- 2.3.6 顺序表与链表的比较
- 2.3.7实际中应怎样选取存储结构
第二章 线性表
【考纲内容】
（一）线性表的定义和基本操作
（二）线性表的实现
顺序存储；链式存储；线性表的应用
【框架】
2.1 线性表的定义和操作
2.1.1 线性表的定义
线性表是具有相同数据类型的n（n>=0）个数据元素的有限序列，其中n为表长，当n=0时，线性表是一个空表。若用L命名线性表，则其一般表示为
L=(a1 , a2,a3,……,ai,ai+1,……,an,)
a1是唯一的“第一个”元素，又称表头元素；an是唯一的“最后一个元素”，又称表尾元素。 除第一个元素外，每个元素有且仅有一个直接前驱。除最后一个元素外，每个元素有且只有一个直接后继。以上就是线性表的逻辑特性，这种线性有序的逻辑结构正式线性表的名字由来。
线性表的特点如下：
（1）表中元素个数有限。
（2）表中元素具有逻辑上的顺序性，表中元素有其先后次序。
（3）表中元素都是数据元素，每个元素都是单个元素。
（4）表中元素的数据类型都相同，这意味着每个元素占有相同大小的存储空间。
（5）表中元素具有抽象性，即仅讨论元素间的逻辑关系，而不考虑元素究竟表示什么内容。
注： 线性表是一种逻辑结构，表示元素之间一对一的相邻关系。顺序表和链表是指存储结构，两者属于不同层面的概念。
2.1.2 线性表的基本操作
一个数据结构的基本操作是指最核心、最基本的操作。其他较复杂的操作可以通过调用其基本操作来实现。线性表的主要操作如下：
- InitList(&L)：初始化表。构造一个空的线性表。
- Length(L):求表长。返回线性表L的长度，即L中数据元素的个数。
- LocateElem(L,e)：按值查找操作。在表L中查找具有给定关键字值的元素。
- GetElem(L,i)：按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。
- ListInsert(&L,i,e):插入操作，在表L中的第i个位置上插入指定元素e。
- ListDelete(&L,i,&e):删除操作，删除表L中的第i个位置的元素，并用e返回删除元素的值。
- PrintList(L)：输出操作。按前后顺序输出线性表L的所有元素值。
- Empty(L):判空操作。若L为空表，则返回true，否则返回false。
- DestroyList(&L):销毁操作。销毁线性表，并释放线性表L所占用的空间。b
2.2线性表的顺序表示
2.2.1 顺序表的定义
线性表的顺序存储又称为顺序表。
它是用一组地址连续的存储单元依次存储线性表中的数据元素，从而使逻辑上相邻的两个元素在物理位置上也相邻。
第一个元素存储在线性表的起始位置，第i个元素的存储位置后面紧接着存储的是第i+1个元素，称i为元素ai在线性表中的位序。因此，顺序表的特点是表中元素的逻辑顺序与其物理顺序相同。
假设线性表L存储的起始位置为LOC(A)，sizeof(ElemType)是每个数据元素所占用存储空间的大小，则表L所对应的顺序存储如图所示。
注： 线性表中元素的位序是从1开始的，而数组中元素的下标是从0开始的。
#define InitSize 100
typedef struct{
ElemType data[MaxSize];
int length;
}SqList;
一维数组可以是静态分配的，也可以是动态分配的。在静态分配时，由于数组的大小和空间事先已经固定，一旦空间占满，再加入新的数据将会产生溢出，进而导致程序崩溃。
在动态分配时，存储数组的空间是在程序执行过程中通过动态存储分配语句分配的，一旦数据空间占满，就另外开辟一块更大的存储空间，用以替换原来的存储空间，从而达到扩充存储数组空间的目的，而不需要为线性表一次性地划分所有空间。
#define InitSize 100
typedef struct{
Elemtype *data;
int MaxSize,length;
}SqList;
c的初始动态分配语句为
L.data=(ElemType*)malloc(sizeof(ElemType)*InitSize)
c++的初始动态分配语句为
L.data=new ElemType[InitSize];
动态分配不是链式存储，它同样属于顺序存储结构，物理结构没有变化，依然是随机存取方式，只是分配的空间大小可以在运行时决定。
顺序表最主要的特点是随机访问，即通过首地址和元素序号可在时间O（1）内找到指定的元素。
顺序表的存储密度高，每个结点只存储数据元素。
顺序表逻辑上相邻的元素物理上也相邻，所以插入和删除操作需要移动大量元素。
2.2.2 顺序表上基本操作的实现
- 插入操作
在顺序表L的第i（1<=i<=L.length+1）个位置插入新元素e。若i的输入不合法，则返回false，表示插入失败；否则，将顺序表的第i个元素及其后的所有元素右移一个位置，腾出一个空位置插入新元素e，顺序表长度增加1，插入成功，返回true。
**注：**区别顺序表的位序和数组下标。为何判断插入位置是否合法时if语句中用length+1，而移动元素的for语句中只用length。
最好情况： 在表尾插入（即i=n+1），元素后移语句不执行，时间复杂度为O(1)。
最坏情况： 在表头插入（即i=1），元素后移语句将执行n次，时间复杂度为O（n）。
平均情况： 假设pi (pi=1/(n+1))是在第i个位置上插入一个结点的概率，则在长度为n的线性表中插入一个结点时，所需移动结点的概率为：
因此，线性表插入算法的平均时间复杂度为O(n)。
- 删除操作
删除顺序表L中第i（1<=i<=L.length）个位置的元素，若成功则返回true，并将被删除的元素用引用变量e返回，否则返回false。
bool ListDelete (SqList &L,int i,ElemType &e){
if(i<=1||i>L.length)
return false;
e=L.data[i-1];
for (int j=i;j<L.length;j++)
L.data[j-1]=L.data[j];
L.length--;
return true;
}
最好情况： 删除表尾元素（即i=n），无需移动元素，时间复杂度为O(1)。
最坏情况： 删除表头元素（即i=1），需移动除第一个元素外的所有元素，时间复杂度为O(n)。
**平均情况：**假设pi（pi=1/n）是删除第i个位置上结点的概率，则在长度为n的线性表中删除一个结点时，所需移动结点的平均次数为：
因此，线性表删除算法的平均时间复杂度为O(n)。
下图为一个顺序表在进行插入和删除操作前、后的状态，记忆其数据元素在存储空间中的位置变化和表长的变化。
3. 按值查找（顺序查找）
在顺序表L中查找第一个元素值等于e的元素，并返回其位序。
int LocalElem(SqList L,ElemType e){
int i;
for(i=0;i<L.length;i++)
if(L.data[i]==e)
return i+1;
return 0;
}
最好情况： 查找的元素就在表头，仅需要比较一次，时间复杂度为O(1)。
最坏情况： 查找的元素在表尾（或不存在时），需要比较n次，时间复杂度为O(n)。
**平均情况：**假设pi（pi=1/n）是查找第i个位置上结点的概率，则在长度为n的线性表中查找值为e的元素所需要比较的平均次数为：
因此，线性表按值查找算法的平均时间复杂度为O(n)。
2.3 线性表的链式表示
顺序表可以随时存取表中的任意一个元素，它的存储位置可以用一个简单直观的公式表示，但插入和删除的操作需要移动大量元素。
链式存储线性表时，不需要使用地址连续的存储单元，即不要求逻辑上相邻的元素在物理位置上也相邻，它通过“链”建立起数据元素之间的逻辑关系，因此插入和删除操作不需要移动元素，而只需要修改指针，但也会失去顺序表可随机存取的优点。
2.3.1 单链表的定义
线性表的链式存储又称单链表，它是指通过一组任意的存储单元来存储线性表中的数据元素。
为了建立数据元素之间的线性关系，对每个链表结点，除存放元素自身的信息外，还需要存放一个指向其后继的指针。
单链表的结构如图所示：
其中data为数据域，存放数据元素；next为指针域，存放其后继结点的地址。
单链表中结点类型的描述如下：
typedef struct LNode{
ElemType data;
struct LNode *next;
}LNode,*LinkList;
利用单链表可以解决顺序表需要大量连续存储单元的缺点，但单链表附加指针域，也存在浪费存储空间的缺点。
由于单链表的元素离散的分布在存储空间中，所以单链表是非随机存取的存储结构，即不能直接找到表中某个特定的结点。查找某个特定的结点时，需要从表头开始遍历，依次查找。
通常用头指针 来标识一个单链表，如单链表L，头指针为NULL时，表示一个空表。
为了操作上的方便，在单链表第一个结点之前附加一个结点，称为头结点，头结点的数据域可以不设任何信息，也可以记录表长等信息。头结点的指针域指向线性表的第一个元素结点，如图所示：
头结点和头指针的区别：不管带不带头结点，头指针始终指向链表的第一个结点，而头结点是带头结点的链表中的第一个结点，结点内通常不存储信息。
引入结点后带来的优点：
（1）由于第一个数据结点的位置被存放在头结点的指针域中，所以在链表的第一个位置上的操作和在表的其他位置上操作一致，无需进行特殊处理。
（2）无论链表是否为空，其头指针都指向结点的非空指针（空表中头结点的指针域为空），因此空表和非空表的处理也就得到了统一。
2.3.2 单链表上基本操作的实现
- 采用头插法建立单链表
该方法从一个空表开始，生成新结点，并将读取到的数据存放到新结点的数据域中，然后将新结点插入到当前链表的表头，即头结点之后，如图所示：
头插法建立单链表的算法如下：
LinkList List_HeadInsert(LinkList &L){
LNode *s; int x;
L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode));
L->next =NULL;
scanf("%d",&x);
while(x!=9999){
s=(LNode*)malloc(sizeof(LNode));
s->data=x;
s->next=L->next;
L->next=x;
scanf("%d",&x);
}
return L;
}
采用头插法建立单链表时，读入数据的顺序与生成的链表中的元素的顺序是相反的。每个结点插入的时间为O(1)，设单链表长为n，则总时间复杂度为O(n)。
如果没有设立头结点，需要修改哪些地方？
因为在头部插入新结点，每次插入新结点后，需要将它的地址赋给头指针L。
- 采用尾插法建立单链表
头插法建立单链表的算法虽然简单，单生成的链表中结点的次序和输入数据的顺序不一致。若希望两者次序一致，可以采用尾插法。
该方法将新结点插入法到当前链表的尾表，为此必须增加一个尾指针r，使其始终指向当前链表的尾结点，如图所示：
尾插法建立单链表的算法如下：
LinkList List_TailInsert(LinkLiist &L){
int x;
L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode)); //是由系统生产一个LNode型的结点，同时在该结点的其实位置赋值给变量指针s。
LNode *s,*r=L;
scanf("%d",&x);
while(x!=9999){
s=(LNode*)malloc(sizeof(LNode));
s->data=x;
r->next=s;
r=s;
scanf("%d",&x);
}
r->next=NULL;
return L;
}
因为附设了一个指向表尾结点的指针，故时间复杂度和头插法的相同为O(n)。
- 按序号查找结点值
LNode *GetElem(LinkList L,int i){
int j=1;
LNode *p=L->next;
if(i==0)
return L;
if(i<1)
return NULL;
while(P&&j<i){
p=p->next;
j++;
}
return p;
}
按序号查找操作的时间复杂度为O(n)。
- 按值查找表结点
从单链表的第一个结点开始，由前往后一次比较表中各结点数据域的值，若某结点数据域的值等于给定值e，则返回该结点的指针；若整个单链表没有这样的结点，则返回NULL。
按值查找表结点的算法如下：
LNode *LocateElem(LinkList L,ElemType e){
LMode *p=L->next;
while(p!=NULL&&p->data!=e)
p=p->next;
return p;
}
按值查找操作的时间复杂度为O(n)。
- 插入结点操作
插入结点操作将值为x的新结点插入到单链表的第i个位置上。先检查插入位置的合法性，然后找到待插入位置的前驱结点，即第i-1个结点，再在其后插入新结点。
算法首先调用按序号查找算法GetElem(L,i-1)，查找第i-1个结点。
假设返回的第i-1个结点为*p，然后令新结点 *s的指针域指向 *p的后继结点，再令结点 *p的指针域指向新插入的结点 *s。
操作过程如下所示：
实现插入结点的代码片段如下：
① p=GetElem(L,i-1);
② s->next=p->next;
③ p->next=s;
算法中，语句②和 ③的顺序不能颠倒，否则，当限制性p->next=s后，指向其原后继的指针就不存在，再执行s->next=p->next时，相当于执行了s->next=s,显然是错误的。
本算法主要的时间开销在于查找第i-1个元素，时间复杂度为O(n)，若在给定的结点后面插入新结点，则时间复杂度仅为O(1)。
扩展：对某一结点进行前插操作。
前插操作是指在某结点的前面插入一个新结点，后插操作的定义刚好与之相反。在单链表插入算法中，通常都采用后插操作。
以上面的算法为例，首先调用函数GetElem()找到第i-1个结点，即插入结点的前驱结点后，再对其执行后插操作。
由此可知，对结点的前插操作均可转化为后插操作，前提是从单链表的头结点开始顺序查找到其前驱结点，时间复杂度为O(n)。
还可以采用另一方式将其转化为后插操作来实现，设待插入结点为 *s，将 *s插入到 *p的前面。仍然可以将 *s插入到 *p的后面，然后将p->data 与s->data交换，这样既满足了逻辑关系，又能使时间复杂度为O(1)。
算法的代码片段如下：
//将*s结点插入到*p之前的主要代码片段
s->next=p->next; //修改指针域，不能颠倒
p->next=s;
temp=p->data; //交换数据域部分
p->data=s->data;
s->data=temp;
- 删除结点操作
删除结点操作是将单链表的第i个结点删除。先检查删除位置的合法性，后查找表中第i-1个结点，即被删除结点的前驱结点，再将其删除。其删除过程如图所示：
假设结点*p为找到的被删结点的前驱结点，为实现这一操作后的逻辑关系的变化，仅需修改 *p的指针域，即将 *p 的指针域next指向 *q 的下一结点。
实现删除结点的代码片段如下：
p=GetElem(L,i-1);
q=p->next;
p->next=q->next;
free(q);
和插入算法一样，该算法的主要时间也耗费在查找操作上，时间复杂度为O(n)。
扩展：删除节点*p
要删除某个给定结点*p，通常的做法是先从链表的头结点开始顺序找到其前驱结点，然后再执行删除操作，算法的时间复杂度为O(n)。
删除结点 p的操作可用删除p 的后继结点操作来实现，实质就是将其后继结点的值赋予其自身，然后删除后继结点，也能使得时间复杂度为O(1)。
实现上述操作代码片段如下：
q=p->next;
p->data=p->next->data;
p->next=q->next;
free(q); //有系统回收一个LNode型的结点，回收的空间可供再次生结点时用。
- 求表长操作
求表长操作就是计算单链表中数据结点（不含头结点）的个数，需要从第一个结点开始顺序依次访问表中的每个结点，为此要设计一个计数器变量，每访问一个结点，计数器加1，直到访问到空结点位置。算法时间复杂度为O(n)。
因为单链表的长度是不包括头结点的，因此不带头结点和带头结点的单链表在求表长操作上会略有不同。对不带头结点的单链表，当表为空时，要单独处理。
2.3 双链表
单链表结点中只有一个指向其后继的指针，使得单链表只能从头结点依次顺序地向后遍历。要访问某个结点的前驱结点（插入、删除操作时），只能从头开始遍历，访问后继结点的时间复杂度为O(1)，访问前驱结点的时间复杂度为O(n)。
为了克服单链表的缺点，引入双链表，双链表结点中有两个指针prior和next，分别指向其前驱结点和后继结点，如图所示
双链表结点类型描述如下：
typedef struct DNode{
ElemType data;
struct DNode *prior,*next;
}DNode,*DLinkList;
双链表在单链表的结点中增加了一个指向其前驱的prior指针，因此，双链表中的按值查找和按位查找的操作与单链表的相同。
但双链表在插入和删除的操作的实现上，与单链表由着较大的不同，这是因为“链”变化时也需要对prior指针做出修改，其关键是保证在修改的过程中不断链。此外，双链表可以很方便的找到其前驱结点，因此，插入、删除操作的时间复杂度为O(1)。
- 双链表的插入操作
在双链表中p所指的结点在之后插入结点*s，其指针的变化过程如图所示：
插入操作的代码片段如下：
①s->next=p->next;
②p->next->prior=s;
③s->prior=p;
④p->next=s;
上述代码的顺序不是唯一的，也不是任意的，①和②两步必须在④步之前，否则*p的后继结点的指针就会丢掉，导致插入失败。
- 双链表的删除操作
删除双链表中结点 *p的后继结点 *q，其指针变化过程如图所示：
删除操作代码片段如下：
p->next=q->next;
q->next->prior=p;
free(q);
在建立双链表的操作中，也可以采用如同单链表的头插法和尾插法，但在操作上需要注意指针的变化和单链表有所不同。
2.3.4 循环链表
- 循环单链表
循环单链表和单链表的区别在于，表中最后一个结点的指针不是NULL，而改为指向头结点，从而整个链表形成一个环，如图所示：
在循环单链表中，表尾结点*r的next域指向L，故表中没有指针域为NULL的结点，因此，循环单链表的判空条件不是头结点的指针是否为空，而是它是否等于头指针。
循环单链表的插入、删除算法与单链表的几乎一样，所不同的是若操作在表尾进行，则执行的操作不同，以让单链表继续保持循环的性质。当然，正式因为循环单链表是一个环，因此，在任何一个位置上插入和删除的操作都是等价的，无需判断是否是表尾。
在单链表中只能从表头结点开始往后顺序遍历整个链表，而循环单链表可以从表中的任意一个结点开始遍历整个链表。
有时对单链表常做的操作是在表头和表尾进行的，此时对循环单链表不设头指针仅设尾指针，从而使操作效率更高。原因是，若设的是头指针，对表尾进行操作需要O(n)的时间复杂度，而若设的是尾指针r，r->next，即为头指针，对于表头与表尾进行操作都只需要O(1)的时间复杂度。
- 循环双链表
由循环单链表的定义不难退出循环双链表，不同的是在循环双链表中，头结点的prior指针还要指向表尾结点，如图所示：
在循环双链表中，某结点*p为尾结点时，p->next==L；当循环双链表为空表时，其头结点的prior域和next域都等于L。
2.3.5 静态链表
静态链表借助数组来描述线性表的链式存储结构，结点也有数据域data和指针域next，与前面说的链表中的指针不同的是，这里的指针是结点的相对地址（数组下标），又称游标。和顺序表一样，静态链表也要预先分配一块连续的内存空间。
静态链表和单链表的对应关系如图所示：
静态链表结构类型描述：
#define MaxSize 50
typedef struct{
ElemType data;
int next;
}SlinkList[MaxSize];
静态链表以next==1作为其结束的标志。静态链表的插入、删除操作与动态链表的相同，只需要修改指针，而不需要移动元素。
总体来说，静态链表没有单链表使用起来方便，但在一些不支持指针的高级语言（如Basic）中，是一种非常巧妙的设计方法。
2.3.6 顺序表与链表的比较
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存取（读写）方式
顺序表可以顺序存取，也可以随机存取，链表只能从表头顺序存取元素。例如在第i个位置上执行或存取的操作，顺序表仅需一次访问，而链表则需从表头开始依次访问i次。 -
逻辑结构与物理结构
采用顺序存储时，逻辑上相邻的元素，对应的物理存储位置也相邻。而采用链式存储时，逻辑上相邻的元素，物理位置则不一定相邻，对应的逻辑关系是通过指针链接来表示的。 -
查找和删除操作
对于按值查找，顺序表无序时，两者的时间复杂度均为O(n)；顺续表有序时，可采用折半查找，此时的时间复杂度为O(log2n)。
对于按序号查找，顺序表支持随机访问，时间复杂度仅为O(1)，而链表的平均时间复杂度为O(n)。顺序表的插入、删除操作，平津需要移动半个表长的元素。链表的插入、删除操作，只需修改相关结点的指针域即可。由于链表的而每个结点都带有指针域，故而存储密度不够大。 -
空间分配
顺序存储在静态存储分配情形下，一旦存储空间装满就不能扩充，若再加入新元素，则会出现内存溢出，因此需要预先分配足够大的存储空间。预先分配过大，可能会导致顺序表后部大量元素闲置；预先分配过小，又会造成溢出。
动态存储分配虽然存储空间可以扩充，但需要移动大量元素，导致操作效率降低，而且若内存中没有更大块的连续存储空间，则会导致分配失败。
链式存储的结点空间只在需要时申请分配，只要内存中有空间就可以分配，操作灵活、高效。
2.3.7实际中应怎样选取存储结构
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基于存储的考虑
难以估计线性表的长度或存储规模时，不宜采用顺序表，链表不用事先估计存储规模，但链表的存储密度较低，显然链式存储结构的存储密度是小于1的。 -
基于运算的考虑
在顺序表中按序号访问ai的时间复杂度为O(1)，而链表中按序号访问的时间复杂度为O(n)，因此，若经常做的运算时按序号访问数据元素，则显然顺序表优于链表。
在顺序表中进行插入、删除操作时，平均移动表中一般的元素，当数据元素的信息量较大且表较长时，这一点是不应忽视的；在链表中进行插入、删除操作时，虽然也要找插入位置，但操作主要是比较操作，从这个角度考虑显然后者优于前者。 -
基于环境的考虑
顺序表容易实现，任何高级语言中都有数组类型；链表的操作是基于指针的，相对来说，前者实现较为简单。
总之，两种存储结构各有长短，选择哪一种由实际问题的主要因素决定。通常较稳定的线性表选择顺序存储，而频繁进行插入、删除操作的线性表（即动态性较强）宜选择链式存储。