C语言超详细讲解数据结构中双向带头循环链表
目录
- 一、概念
- 二、必备工作
- 2.1、创建双向链表结构
- 2.2、初始化链表
- 2.3、动态申请节点
- 2.4、打印链表
- 2.5、销毁链表
- 三、主要功能
- 3.1、在pos节点前插入数据
- 尾插
- 头插
- 3.2、删除pos处节点数据
- 尾删
- 头删
- 3.3、查找数据
- 四、总代码
- List.h 文件
- List.c 文件
- Test.c 文件
- 五、拓展
一、概念
前文我们已经学习了单向链表,并通过oj题目深入了解了带头节点的链表以及带环链表,来画张图总体回顾下:
在我们学习的链表中,其实总共有8种,都是单双向和带不带头以及带不带环的任意组合
今儿要学习的是双向 - 带头 - 循环链表,听名字就觉着结构很复杂,要比曾经学的单向 - 不带头 - 不循环 链表的结构复杂的多 ,确实也是。先来画张图整体感受下:
解释:
- 双向:就要确保每个数据存两个指针next和prev。next指向下一个节点,prev指向上一个节点
- 带头:带一个哨兵位的头节点在数据的最前头。
- 循环:尾节点的next指向哨兵位头节点,而哨兵位的上一个节点prev指向尾节点,构成循环。
正文开始:
二、必备工作
2.1、创建双向链表结构
因为是双向链表,所以在结构体里头必然有两个指针,一个next指向下一个节点,一个prev指向上一个节点。
List.h 文件:
//创建双向链表结构 typedef int LTDataType; //方便后续更改数据类型,本文以int整型为主 typedef struct ListNode { LTDataType data; //存储数据 struct ListNode* next; //指向下一个 struct ListNode* prev; //指向上一个 }LTNode; //方便后续使用,不需要重复些struct
2.2、初始化链表
思路:
在初始化的时候要传地址,因为形参的改变不会影响实参,pphead的改变不会影响pList,要传pList的地址,用**pphead来接收,此时就要assert断言了,因为二级指针地址不可能位空。因为是双向循环链表,所以要将创建好的哨兵位节点的next和prev均指向自己。
List.h 文件:(1)
//初始化链表(二级指针版) void ListInit(LTNode* pphead);
List.c 文件:(1)
//初始化链表(二级指针版) void ListInit(LTNode** pphead) { //传二级指针,那么当然要断言 assert(pphead); *pphead = BuyLTNode(0);//因为是带哨兵位的头节点,所以一开始就要给一个节点 //为了循环,要让哨兵位的next和prev均指向自己 (*pphead)->next = *pphead; //注意优先级,*pphead要加括号 (*pphead)->prev = *pphead; }
注意:
上一种方法我们传的是二级指针,那么可以传一级指针吗,其实也是可以的,只需写个函数返回指针即可
List.h 文件:(2)
//初始化链表(一级指针版本) LTNode* ListInit();
List.c 文件:(2)
//初始化链表(一级指针版) LTNode* ListInit() { LTNode* phead = BuyLTNode(0); phead->next = phead; phead->prev = phead; return phead; }
2.3、动态申请节点
List.c 文件:
//创建新节点 LTNode* BuyLTNode(LTDataType x) { LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode)); if (newnode == NULL) { printf("malloc fail\n"); exit(-1); } newnode->data = x; newnode->next = NULL; newnode->prev = NULL; return newnode; //返回新创建的节点 }
2.4、打印链表
思路:
既然是打印,首先要搞明白一点,哨兵位不用来存放有效数据,那么就不需要打印,定义一个cur指针来迭代,那么应该从phead的next开始打印,当cur走完一遍,重又回到phead的时候停止
List.h 文件:
//打印链表 void ListPrint(LTNode* phead);
List.c 文件:
//打印链表 void ListPrint(LTNode* phead) { assert(phead);//断言 LTNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { printf("%d ", cur->data); cur = cur->next; } printf("\n"); }
2.5、销毁链表
思路:
既然是销毁链表了,那么自然是要把链表的所有元素包括哨兵位都给销毁掉,但毕竟刚开始传phead的时候是不能为空的,所以要断言,在把所有有效数据销毁后最后再销毁哨兵位即可。
法一:遍历
定义一个指针cur,从phead的next第一个有效数据开始free,保存下一个,再free,依次遍历下去
法二:附用ListErase函数
此法也可以,不过每次Erase完,都会把前后两个节点再链接起来,虽说最后都会销毁,但duck不必多此一举,所有直接采用法一比较好
List.h 文件:
//销毁链表 void ListDestory(LTNode* phead);
List.c 文件:
//销毁链表 void ListDestory(LTNode* phead) { assert(phead); LTNode* cur = phead->next; //销毁从第一个节点到尾部的数据 while (cur != phead) { LTNode* next = cur->next; //ListErase(cur); free(cur); cur = next; } //置空哨兵位节点phead free(phead); phead = NULL; }
Test.c 文件:
void TestList7() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 //销毁链表 ListDestory(pList); pList = NULL; }
三、主要功能
3.1、在pos节点前插入数据
思路:
假设我们已经进行了尾插4个数字,现在想在数字3的前面插入30,那么首先就要查找有无数字3,若有,则插入。注意:这里需要用到后文才讲到的查找函数,这里直接引用了,详解看后文即可,问题不大!
首先,将30放到新创建的节点newnode里头,为了实现双向,要先把3的前一个数据2的next指向新节点newnode,把newnode的prev指向2,newnode的next指向3,3的prev指向newnode。
List.h 文件:
//在pos前插入数据 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x);
List.c 文件:
//在pos前插入数据 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x) { assert(pos); //创建插入数据的新节点 LTNode* newnode = BuyLTNode(x); //链接左侧 pos->prev->next = newnode; newnode->prev = pos->prev; //链接右侧 newnode->next = pos; pos->prev = newnode; }
Test.c 文件:
void TestList3() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //寻找数字 LTNode* pos = ListFind(pList, 3); if (pos) { ListInsert(pos, 30); //找到数字3就插入 } ListPrint(pList);//打印 }
效果如下:
尾插
思路:
首先,因为此链表是带哨兵位的头节点,所以头节点必然不为空,刚开始就要assert断言。其次,单链表尾插需要找尾,双向链表虽然也需要,不过非常简单,不需要再遍历链表了,因为哨兵位头节点的phead的上一个节点指向的就是尾,这就充分体现了双向循环的好处,找到了尾节点就需要再创建一个节点存储插入数据,方便尾插。
List.h 文件:
//尾插 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
List.c 文件:1.0
//尾插1.0 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); //断言,防止头节点为空 LTNode* tail = phead->prev; //找到尾节点,便于后续插入数据 LTNode* newnode = BuyLTNode(x);//创建新节点 //将此新插入的尾节点与上一个节点链接起来 tail->next = newnode; newnode->prev = tail; //将尾节点与哨兵位phead链接起来构成循环 newnode->next = phead; phead->prev = newnode; }
Test.c 文件:
void TestList1() { //初始化(法一) /*LTNode* pList = NULL; ListInit(&pList);*/ //初始化(法二) LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 }
效果如下:
注意:
在上文中,我们学习了在pos前插入数据,那么设想一下,当pos就等于phead的时候,它(phead)的前不就是链表的尾部吗,那么理所应当,尾插也可以这样完成:
List.c 文件:2.0
//尾插2.0 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); ListInsert(phead, x); }
头插
思路:
前面我们已经学习了在pos前插入数据,那么头插的实现就尤为简单了,当pos为原第一个数据phead->next时,此时就是在其之前插入数据,那么实现的不久是头插吗,如下:
List.h 文件:
//头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
List.c 文件:
//头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); ListInsert(phead->next, x); }
Test.c 文件:
void TestList4() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 for (int i = -2; i <= 0; i++) { ListPushFront(pList, i); //头插3个数字 } ListPrint(pList);//打印 }
效果如下:
3.2、删除pos处节点数据
思路:
删除pos处数据其实也很简单,有点类似于把pos处直接忽略的思想,或者说是绕过去。首先,需要找到pos的上一个节点prev和下一个节点next,将prev和next互相链接即可,直接跳过了pos,这样就实现了删除pos处节点的数据,记得把pos处给free释放掉。这里我们以pos为2示例:
List.h 文件:
//删除pos处数据 void ListErase(LTNode* pos);
List.c 文件:
//删除pos处数据 void ListErase(LTNode* pos) { assert(pos); //定义两个指针保存pos两边的节点 LTNode* prev = pos->prev; LTNode* next = pos->next; //将prev和next链接起来 prev->next = next; next->prev = prev; //free释放 free(pos); pos = NULL; }
Test.c 文件:
void TestList5() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //寻找数字 LTNode* pos = ListFind(pList, 3); if (pos) { ListErase(pos); //删除pos处数据 pos = NULL; //形参的改变不会影响实参,最好在这置空pos } ListPrint(pList);//打印 }
效果如下:
尾删
思路:
双向循环链表的特点将再次得以体现,根据其特性,我们知道phead的prev指向尾节点,用tail指针保存,再定义一个指针tailPrev指向tail的prev,现仅需将tailPrev的next指向哨兵位节点phead,再把哨兵位phead的prev重新置成tailPrev即可,但是别忘记把删掉的尾节点给释放掉,得free(tail)。记得要断言链表不能为空,因为不能删除哨兵位节点。
List.H 文件:
//尾删 void ListPopBack(LTNode* phead);
List.c 文件:1.0
//尾删 void ListPopBack(LTNode* phead) { assert(phead);//本身就有哨兵位,不能为空,要断言 assert(phead->next != phead); //防止链表为空,导致删除哨兵位节点 LTNode* tail = phead->prev; LTNode* tailPrev = tail->prev; //释放尾节点 free(tail); tail = NULL; //将链表循环起来 tailPrev->next = phead; phead->prev = tailPrev; }
Test.c 文件:
void TestList2() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //尾删两次 ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPrint(pList);//再次打印 }
效果如下:
注意:
前文我们已经学了删除pos处节点的数据,那么当pos为phead->prev时,删除的是不是就是尾节点,所以,尾删理所应当可以这样写:
List.c 文件:2.0
//尾删 void ListPopBack(LTNode* phead) { assert(phead);//本身就有哨兵位,不能为空,要断言 assert(phead->next != phead); //防止链表为空,导致删除哨兵位节点 ListErase(phead->prev); }
头删
思路:
有了上文之鉴,我们可以直接利用前面写的删除pos处数据的函数来完成,当pos为phead->prev时,pos的位置就是尾,此时删除的就是尾。当然还得注意一点,需要额外assert断言防止删除的数据为哨兵位的节点。
List.h 文件:
//头删 void ListPopFront(LTNode* phead);
List.c 文件:
//头删 void ListPopFront(LTNode* phead) { assert(phead); assert(phead->next != phead); //防止删除哨兵位节点 ListErase(phead->next); }
Test.c 文件:
void TestList6() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 //头插3个数字 ListPushFront(pList, 0); ListPushFront(pList, -1); ListPushFront(pList, -2); ListPrint(pList);//打印 //尾删3个数字 ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPrint(pList);//打印 //头删3个数字 ListPopFront(pList); ListPopFront(pList); ListPopFront(pList); ListPrint(pList);//打印 }
效果如下:
3.3、查找数据
思路:
查找数据其实也比较简单,首先,定义一个指针cur指向哨兵位phead的next,依次遍历cur看cur->data是否为查找的数据x,如果是,则返回cur,否则继续(cur=cur->next),若找不到则返回NULL。
List.h 文件:
//链表查找 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x);
List.c 文件:
//链表查找 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); LTNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { if (cur->data == x) { return cur; //找到就返回cur } cur = cur->next; } return NULL; //找不到就返回空 }
四、总代码
List.h 文件
#pragma once #include<stdio.h> #include<assert.h> #include<stdlib.h> //创建双向链表结构 typedef int LTDataType; //方便后续更改数据类型,本文以int整型为主 typedef struct ListNode { LTDataType data; //存储数据 struct ListNode* next; //指向下一个 struct ListNode* prev; //指向上一个 }LTNode; //方便后续使用,不需要重复些struct //初始化链表(二级指针版本) /*void ListInit(LTNode** pphead);*/ //初始化链表(一级指针版本) LTNode* ListInit(); //打印链表 void ListPrint(LTNode* phead); //链表查找 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x); //销毁链表 void ListDestory(LTNode* phead); //尾插 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x); //尾删 void ListPopBack(LTNode* phead); //头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x); //头删 void ListPopFront(LTNode* phead); //在pos前插入数据 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x); //删除pos处数据 void ListErase(LTNode* pos);
List.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include"List.h" //创建新节点 LTNode* BuyLTNode(LTDataType x) { LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode)); if (newnode == NULL) { printf("malloc fail\n"); exit(-1); } newnode->data = x; newnode->next = NULL; newnode->prev = NULL; return newnode; //返回新创建的节点 } //初始化链表(二级指针版) /*void ListInit(LTNode** pphead) { //传二级指针,那么当然要断言 assert(pphead); *pphead = BuyLTNode(0);//因为是带哨兵位的头节点,所以一开始就要给一个节点 //为了循环,要让哨兵位的next和prev均指向自己 (*pphead)->next = *pphead; //注意优先级,*pphead要加括号 (*pphead)->prev = *pphead; }*/ //初始化链表(一级指针版) LTNode* ListInit() { LTNode* phead = BuyLTNode(0); phead->next = phead; phead->prev = phead; return phead; } //打印链表 void ListPrint(LTNode* phead) { assert(phead);//断言 LTNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { printf("%d ", cur->data); cur = cur->next; } printf("\n"); } //链表查找 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); LTNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { if (cur->data == x) { return cur; //找到就返回cur } cur = cur->next; } return NULL; //找不到就返回空 } //销毁链表 void ListDestory(LTNode* phead) { assert(phead); LTNode* cur = phead->next; //销毁从第一个节点到尾部的数据 while (cur != phead) { LTNode* next = cur->next; //ListErase(cur); free(cur); cur = next; } //置空哨兵位节点phead free(phead); phead = NULL; } //尾插 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); //断言,防止头节点为空 /* 法一: LTNode* tail = phead->prev; //找到尾节点,便于后续插入数据 LTNode* newnode = BuyLTNode(x);//创建新节点 //将此新插入的尾节点与上一个节点链接起来 tail->next = newnode; newnode->prev = tail; //将尾节点与哨兵位phead链接起来构成循环 newnode->next = phead; phead->prev = newnode; */ //法二: ListInsert(phead, x); } //尾删 void ListPopBack(LTNode* phead) { assert(phead);//本身就有哨兵位,不能为空,要断言 assert(phead->next != phead); //防止链表为空,导致删除哨兵位节点 /* 法一: LTNode* tail = phead->prev; LTNode* tailPrev = tail->prev; //释放尾节点 free(tail); tail = NULL; //将链表循环起来 tailPrev->next = phead; phead->prev = tailPrev; */ //法二: ListErase(phead->prev); } //头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); ListInsert(phead->next, x); } //头删 void ListPopFront(LTNode* phead) { assert(phead); assert(phead->next != phead); //防止删除哨兵位节点 ListErase(phead->next); } //在pos前插入数据 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x) { assert(pos); //创建插入数据的新节点 LTNode* newnode = BuyLTNode(x); //链接左侧 pos->prev->next = newnode; newnode->prev = pos->prev; //链接右侧 newnode->next = pos; pos->prev = newnode; } //删除pos处数据 void ListErase(LTNode* pos) { assert(pos); //定义两个指针保存pos两边的节点 LTNode* prev = pos->prev; LTNode* next = pos->next; //将prev和next链接起来 prev->next = next; next->prev = prev; //free释放 free(pos); pos = NULL; }
Test.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include"List.h" void TestList1() { //初始化(法一) /*LTNode* pList = NULL; ListInit(&pList);*/ //初始化(法二) LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 } void TestList2() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //尾删两次 ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPrint(pList);//再次打印 } void TestList3() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //寻找数字 LTNode* pos = ListFind(pList, 3); if (pos) { ListInsert(pos, 30); //找到数字3就插入 } ListPrint(pList);//打印 } void TestList4() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 for (int i = -2; i <= 0; i++) { ListPushFront(pList, i); //头插3个数字 } ListPrint(pList);//打印 } void TestList5() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数据 } ListPrint(pList);//打印尾插的7个 //寻找数字 LTNode* pos = ListFind(pList, 3); if (pos) { ListErase(pos); //删除pos处数据 pos = NULL; //形参的改变不会影响实参,最好在这置空pos } ListPrint(pList);//打印 } void TestList6() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 //头插3个数字 ListPushFront(pList, 0); ListPushFront(pList, -1); ListPushFront(pList, -2); ListPrint(pList);//打印 //尾删3个数字 ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPopBack(pList); ListPrint(pList);//打印 //头删3个数字 ListPopFront(pList); ListPopFront(pList); ListPopFront(pList); ListPrint(pList);//打印 //销毁链表 ListDestory(pList); pList = NULL; } void TestList7() { LTNode* pList = ListInit(); for (int i = 1; i <= 7; i++) { ListPushBack(pList, i); //尾插7个数字 } ListPrint(pList);//打印 //销毁链表 ListDestory(pList); pList = NULL; } int main() { //TestList1(); //TestList2(); //TestList3(); //TestList4(); //TestList5(); //TestList6(); TestList7(); return 0; }
五、拓展
对比顺序表和链表
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数据 |
缓存利用率 | 高 | 低 |
优缺点对比:
顺序表 | 链表 | |
优点 |
1、物理空间是连续的,方便用下标随机访问。 2、CPU高速缓存命中率会更高。(补充) |
1、按需申请释放空间。 2、任意位置可以O(1)插入删除数据。 |
缺点 |
1、正因为物理空间连续,空间不够需要扩容,扩容本身又一定消耗,其次扩容机制还存在一定的空间浪费。 2、头部或者中部插入删除,挪动数据,效率低,O(N)。 |
1、不支持下标的随机访问。 2、有些算法不适合在它上面进行,如:二分查找、排序等。 |
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