双向链表,还能这么实现
双向链表,是一种常用的数据结构。在C语言中,双向链表的实现,通常采用下面的数据结构:
typedef struct dlist_node_t {
struct dlist_node_t* pprev;
struct dlist_node_t* pnext;
void* pdata;
} dlist_node_t;
typedef struct dlist_t {
dlist_node_t* phead;
dlist_node_t* ptail;
} dlist_t;
dlist_t 是双向链表的数据结构,其有两个指针:一个指向头部节点,一个执行尾部节点。
每个节点,用dlist_node_t来表示,节点内部有三个成员:指向前一个节点的指针,指向下一个节点的指针,节点保存的数据指针。
向链表增加或删除节点时,都需要对指针是否为NULL进行判断,包括:判断dlist_t的头指针、尾指针是否为NULL,判断dlist_node_t的前向、后向指针是否为NULL,从而进行对应的处理,这样排列组合起来的场景是比较多的,因此代码实现逻辑比较繁琐。
为了避免判断NULL,简化代码,一些新的实现思路被提出。有人提议,把dlist_t的头尾指针,都改成dlist_node_t结构体,形成2个固定的哨兵,如下:
typedef struct dlist_t {
dlist_node_t head;
dlist_node_t tail;
} dlist_t;
这样dlist_t就没有NULL指针了,并且链表中的节点,前向和后向指针都一定不是NULL。这样代码实现就大大简化了。
这样的设计,只有head的前向指针、tail的后向指针为NULL,并且由于他们是哨兵,这两个NULL指针不需要修改,也不需要判断。
这种改进方案,唯一的不足,是dlist_t 数据结构占用的内存变大了,多消耗了4个指针的内存空间,即32个byte。
对于追求完美的开发者而言,这不应该是终极方案!
我找到一种双向链表的实现方式,不需要增加任何额外的空间,并且能彻底消除对NULL的判断。其核心设计思路为:
把 dlist_t 也看作是一个dlist_node_t,和链表内的dlist_node_t一起构成一个首尾相接的环形结构,从而消除NULL指针。
具体如下图所示:
代码核心实现要点,如下:
1)数据结构dlist_t中的phead和ptail的位置需要对调。
2)dlist_t 初始化时,前向和后向指针都指向自己。
3)向dlist_t中增加、删除成员时,把双向链表看作是一个环状的双向链表,这个环上,每个节点的前向和后向指针都不是NULL,都可以访问和修改。
代码示例如下:
dlist.h 的内容如下:
// dlist.h
#ifndef DLIST_H
#define DLIST_H
typedef struct dlist_node_t {
struct dlist_node_t* pprev;
struct dlist_node_t* pnext;
void* pdata;
} dlist_node_t;
typedef struct dlist_t {
dlist_node_t* ptail;
dlist_node_t* phead;
} dlist_t;
int dlist_init(dlist_t* plist);
int dlist_push_tail(dlist_t* plist, void* pdata);
int dlist_push_head(dlist_t* plist, void* pdata);
void* dlist_pop_tail(dlist_t* plist);
void* dlist_pop_head(dlist_t* plist);
// ...
#endif
dlist.c 的内容如下:
// dlist.c
#include "dlist.h"
#include <stdlib.h>
int dlist_init(dlist_t* plist) {
plist->phead = (dlist_node_t*)plist;
plist->ptail = (dlist_node_t*)plist;
return 0;
}
int dlist_push_tail(dlist_t* plist, void* pdata) {
// new node
dlist_node_t* pnode = (dlist_node_t*)malloc(sizeof(*pnode));
pnode->pdata = pdata;
// tail node
dlist_node_t* ptail = plist->ptail;
// ring : insert as next node of the tail node
pnode->pnext = ptail->pnext;
ptail->pnext->pprev = pnode;
pnode->pprev = ptail;
ptail->pnext = pnode;
return 0;
}
int dlist_push_head(dlist_t* plist, void* pdata) {
// new node
dlist_node_t* pnode = (dlist_node_t*)malloc(sizeof(*pnode));
pnode->pdata = pdata;
// head node
dlist_node_t* phead = plist->phead;
// ring : insert as prev node of the head node
pnode->pprev = phead->pprev;
phead->pprev->pnext = pnode;
pnode->pnext = phead;
phead->pprev = pnode;
return 0;
}
void* dlist_pop_tail(dlist_t* plist) {
if (plist->ptail == (dlist_node_t*)plist) { // empty
return NULL;
}
// remove tail node from dlist
dlist_node_t* pnode = plist->ptail;
pnode->pprev->pnext = pnode->pnext;
pnode->pnext->pprev = pnode->pprev;
// free node
void* pdata = pnode->pdata;
free(pnode);
return pdata;
}
void* dlist_pop_head(dlist_t* plist) {
if (plist->phead == (dlist_node_t*)plist) { // empty
return NULL;
}
// remove head node from dlist
dlist_node_t* pnode = plist->phead;
pnode->pprev->pnext = pnode->pnext;
pnode->pnext->pprev = pnode->pprev;
// free node
void* pdata = pnode->pdata;
free(pnode);
return pdata;
}
测试程序 test_dlist.c 的内容如下:
#include "dlist.h"
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
int main() {
dlist_t list, *plist = &list;
int iret = dlist_init(plist);
dlist_push_tail(plist, (void*)1);
dlist_push_tail(plist, (void*)2);
dlist_push_tail(plist, (void*)3);
dlist_push_head(plist, (void*)4);
dlist_push_head(plist, (void*)5);
printf("%lu\n", (uint64_t)dlist_pop_head(plist));
printf("%lu\n", (uint64_t)dlist_pop_head(plist));
printf("%lu\n", (uint64_t)dlist_pop_head(plist));
printf("%lu\n", (uint64_t)dlist_pop_head(plist));
printf("%lu\n", (uint64_t)dlist_pop_head(plist));
return 0;
}
运行 ./test_dlist, 输出结果如下:
$ ./test_dlist
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