【C语言】数据结构——带头双链表实例探究

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导读：

我们在前面学习了单链表和顺序表。
今天我们来学习双向循环链表。
在经过前面的一系列学习，我们已经掌握很多知识，相信今天的内容也是很容易理解的。
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1. 双链表结构特征

今天我们要学的是双向带头循环列表。
双向循环链表是一个链表的数据结构，每个节点包含两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。与普通的链表不同的是，双向循环链表的尾节点的后继节点指向头节点，头节点的前驱节点指向尾节点，形成一个闭环。

双向循环链表的特点是可以从任意一个节点开始遍历整个链表。

由于每个节点都可以直接访问前一个节点和后一个节点，所以在双向循环链表中插入和删除节点的操作更加方便和高效。
在插入和删除节点时，只需要修改相邻节点的指针即可，不需要像普通链表那样需要遍历找到前一个节点。

2. 实现双向循环链表

我们需要创建两个 C文件: study.c 和 SList.c，以及一个 头文件： SList.h。
头文件来声明函数，一个C文件来定义函数，另外一个C文件来用于主函数main（）进行测试。

2.1 定义结构体

typedef是类型定义的意思。typedef struct 是为了使用这个结构体方便。

若struct SeqList {}这样来定义结构体的话。在申请SeqList 的变量时，需要这样写，struct SList n;
若用typedef，可以这样写，typedef struct SList{}SL; 。在申请变量时就可以这样写，SL n;
区别就在于使用时，是否可以省去struct这个关键字。

定义两个指针next和prev，分别指向该节点的下一个节点和前一个节点，data记录该节点存放的值。

typedef int LTDataType;

typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
	LTDataType data;
}LTNode;

2.2 创造节点

因为链表的插入都需要新创建一个节点，为了方便后续的使用以及避免代码的重复出现，我们直接定义函数，后续直接调用即可。

LTNode* CreateLTNode(LTDataType x)
{
	LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	newnode->prev = NULL;
	return newnode;
}

malloc开辟一块空间，存入想要插入的值，前后指针闲置为空，后面调用后再去改变，返回该节点的指针。

2.3 双向链表初始化

先把哨兵位创建出来，前后指针都先指向自己，该节点不存储任何实际的数据，只是作为链表的起始点。

LTNode* LTInit()
{
	LTNode* phead = CreateLTNode(-1);

	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;
	return phead;
}

2.4 双向链表打印

方便我们后面测试代码是否出错。

void LTPrint(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	printf("哨兵位<=>");
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<=>", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

2.5 双向链表尾插

首先，需要找到链表的尾节点（即头节点的前驱节点）。
然后将新节点插入到尾节点的后面，即新节点的前驱指向尾节点，新节点的后继指向头节点（即原先的尾节点的后继节点），头节点的前驱指向新节点，头节点的后继指向新节点。
最后，将新节点作为尾节点。

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* tail = phead->prev;//尾节点
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);//新建一个节点

	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;
}

我们用尾插插入1，2，3，4来进行测试。

void TestLT1()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPrint(plist);

}
int main()
{
	TestLT1();
	return 0;
}

最开始的时候链表只有一个哨兵位，它的前后指针都是指向自己，所以找尾节点找到的就是哨兵位。

第一个数据的插入：

第二个数据的插入：

2.6 双向链表尾删

要实现带头双向循环链表的尾删操作，可以按照以下步骤：

1. 首先判断链表是否为空，如果为空，则直接返回。

2. 如果链表不为空，找到链表中的最后一个节点的前一个节点，即尾节点的前一个节点。

3. 将尾节点的前一个节点的next指针指向头节点，即将尾节点从链表中移除。

4. 释放尾节点的内存空间。

5. 更新链表的尾指针，即将尾指针指向尾节点的前一个节点。

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next);

	LTNode* tail = phead->prev;//最后一个节点
	LTNode* tailprev = tail->prev;//倒数第二个节点
	phead->prev = tailprev;
	tailprev->next = phead;
	free(tail);
	tail = NULL;
}

测试：

void TestLT1()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPrint(plist);
	LTPopBack(plist);
	LTPrint(plist);

}
int main()
{
	TestLT1();
	return 0;
}

2.7 双向链表头插

头插法是指将新的节点插入链表的头部，而不是尾部。
在带头双向链表中，首先创建一个新的节点，并将其next指针指向原来的头节点，然后将原来的头节点的prev指针指向新的节点即可。

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);//增加新节点
	LTNode* next = phead->next;//记录原先的第一个节点
	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = next;
	next->prev = newnode;
}

测试：

void TestLT2()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushFront(plist, 99);
	LTPushFront(plist, 88);
	LTPushFront(plist, 77);
	LTPushFront(plist, 66);
	LTPushFront(plist, 55);
	LTPrint(plist);
}
int main()
{
	TestLT2();
	return 0;
}

2.8 双向链表头删

带头双向链表的头删操作可以通过以下步骤实现：

1. 如果链表为空，直接返回。
2. 将头节点的下一个节点指针保存在一个临时变量中。
3. 将头节点的下一个节点的前驱节点指针指向空。
4. 将临时变量指向的节点的前驱节点指针指向空。
5. 将头节点指向临时变量指向的节点。
6. 释放临时变量指向的节点的内存空间。

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next);
	LTNode* del = phead->next;//第一个节点
	LTNode* next = del->next;//第二个节点
	phead->next = next;
	next->prev = phead;
	free(del);
	del = NULL;
}

测试：

void TestLT2()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushFront(plist, 99);
	LTPushFront(plist, 88);
	LTPushFront(plist, 77);
	LTPushFront(plist, 66);
	LTPushFront(plist, 55);
	LTPrint(plist);
	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);
}
int main()
{
	TestLT2();
	return 0;
}

2.9 双向链表查找

在带头双向链表中查找一个特定的元素可以按照以下步骤进行：

1. 如果链表为空，则返回空指针或者空值，表示找不到目标元素。
2. 通过指针访问链表的第一个节点，即头节点的下一个节点。
3. 从第一个节点开始，依次遍历链表的每一个节点，直到找到目标元素或者遍历到链表的末尾。
   4 如果找到目标元素，返回该节点的指针或者该节点的值，表示找到了目标元素。
4. 如果遍历到链表的末尾都没有找到目标元素，则返回空指针或者空值，表示找不到目标元素。

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;
}

2.10 双向链表任意位置插入

我们利用查找函数，插入到找到的数前面。

1. 判断链表里是否有这位数。
2. 创建一个新节点。
3. 改变pos位置前一个节点、pos节点和新节点的前后驱指针。

void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);//增加新节点
	LTNode* cur = pos->prev;//pos前一个节点
	cur->next = newnode;
	newnode->prev = cur;
	pos->prev = newnode;
	newnode->next = pos;
}

测试：

//任意位置插入测试
void TestLT5()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 4);
	LTPrint(plist);
	if (LTFind(plist, 2))
	{
		LTNode* pos = LTFind(plist, 2);
		LTInsert(pos, 999);
		LTPrint(plist);
	}
	else
	{
		printf("fail\n");
	}
}
int main()
{
	TestLT5();
	return 0;
}

2.11 双向链表任意位置删除

仍然是利用查找函数，删除find函数返回的节点。

1. 判断是否存在这个数。
2. 把该节点的前一个节点和后一个节点相关联。
3. 释放该节点。

void LTErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);
	LTNode* before = pos->prev;//pos前一个节点
	LTNode* next = pos->next;//pos后一个节点
	before->next = next;
	next->prev = before;
	free(pos);
	pos = NULL;
}

测试：

//任意位置删除测试
void TestLT6()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushFront(plist, 99);
	LTPushFront(plist, 88);
	if (LTFind(plist, 2))
	{
		LTNode* pos = LTFind(plist, 2);
		LTErase(pos);
	}
	LTPrint(plist);
}
int main()
{
	TestLT6();
	return 0;
}

2.12 双链表销毁

动态内存开辟空间，使用完之后需要进行销毁。

void LTDestory(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	free(phead);
}

2.13 利用任插、任删完成头尾插入和头尾删除

因为我们是带头双向链表，所以我们利用哨兵位就可以轻松找到链表的头尾结点。
所有我们只需要把哨兵位的位置做为参数，就可以轻易完成。

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTInsert(phead, x);
}

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next);
	LTErase(phead->prev);
}

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTInsert(phead->next, x);

}

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(phead->next);
	LTErase(phead->next);
}

测试：

//任意位置插入删除（头尾增删调用）
void TestLT4()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPrint(plist);
	LTPushFront(plist, 99);
	LTPushFront(plist, 88);
	LTPrint(plist);
	LTPopBack(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);

	LTPrint(plist);
	LTDestory(plist);
}
int main()
{
	TestLT4();
	return 0;
}