链表数据结构：从零开始的C++实现完全指南（教学版）

一、链表的核心原理（理论篇）

1.1 链表的数学本质

链表可以看作是一个递归定义的序列结构：

List = Empty | Node(data, List)

• Empty：空链表（基础情形）
• Node：包含数据元素和子链表的节点（递归情形）

示例推导：

List1 = Node(5, Empty)
List2 = Node(3, List1) → Node(3, Node(5, Empty))
List3 = Node(1, List2) → Node(1, Node(3, Node(5, Empty)))

1.2 内存结构详解

每个节点在内存中的存储方式：

+----------------+-----------------+
| 数据区（sizeof(T)） | 指针区（sizeof(void*)） |
+----------------+-----------------+

假设存储int类型数据（4字节），在64位系统下：

+----+--------+
| 5  | 0xABCD | → 每个节点占用12字节（4+8）
+----+--------+

1.3 指针操作的原子性

每个链表操作本质是对指针的精确控制，以插入操作为例：

插入新节点N到A和B之间：

初始状态：
A → B → C

步骤分解：
1. 创建新节点N（内存地址0x1234）
2. 将N的next指向B：N->next = A->next
3. 将A的next指向N：A->next = N

最终状态：
A → N → B → C

二、单链表实现详解（实践篇）

2.1 节点类的完整实现

template <typename T>
struct ListNode {
   
    T data;         // 数据域（存储用户数据）
    ListNode* next; // 指针域（存储下个节点地址）
    
    // 构造函数：严格初始化每个成员
    explicit ListNode(const T& val)
        : data(val),       // 初始化数据域
          next(nullptr) {
    // 指针初始化为空
        // 验证数据有效性（可选）
        if constexpr (std::is_arithmetic_v<T>) {
   
            if (std::isnan(val)) throw std::invalid_argument("NaN not allowed");
        }
    }

    // 禁用拷贝构造函数（防止意外复制）
    ListNode(const ListNode&) = delete;
    ListNode& operator=(const ListNode&) = delete;
};

2.2 链表类的完整生命周期管理

template <typename T>
class LinkedList {
   
private:
    ListNode<T>* head; // 头指针（链表入口）
    size_t count;      // 节点计数器

public:
    // 构造函数：初始化空链表
    LinkedList() noexcept 
        : head(nullptr), count(0) {
   
        // 确保初始状态正确
        assert(head == nullptr && count == 0);
    }