链表

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跳动的bit 发表于 2022/04/20 07:19:16 2022/04/20
【摘要】 链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构,数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。

一、链表

💦 链表的概念和结构

链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构,数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。

🎗 这里就来实现一个简单的链表(这里有三个文件:SList.h、SList.c、Test.c)
在这里插入图片描述

SList.h文件

#pragma once

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;
	struct SListNode* next;
}SLTNode;

void SListPrint(SLTNode* phead);

SList.c文件

#include"SList.h"

void SListPrint(SLTNode* phead)
{
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur != NULL)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

Test.c文件

#include"SList.h"

void TestSList1()
{
	SLTNode* n1 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n1->data = 1;

	SLTNode* n2 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n2->data = 2;

	SLTNode* n3 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n3->data = 3;

	SLTNode* n4 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n4->data = 4;

	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;
	n4->next = NULL;

	SLTNode* plist = n1;
	SListPrint(plist);
}
int main()
{
	TestSList1();
	return 0;
}

💨 结果
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
⚠ 注意
1️⃣ 从上图可看出,链式结构在逻辑上是连续的,但是在物理上不一定连续

2️⃣ 现实中的结点一般都是从堆上申请出来的

3️⃣ 从堆上申请的空间,是按照一定的策略来分配的,两次申请的空间可能连续,也可能不连续

假设在32位系统上,结点中值域为int类型,则一个节点的大小为8个字节,则也可能有下述链表:
在这里插入图片描述

💦 链表的分类

实际中链表的结构非常多样,以下情况组合起来就有8种链表结构:
注:本章只了解单链表

1️⃣ 单向或者双向

在这里插入图片描述
2️⃣ 带头或者不带头
在这里插入图片描述
3️⃣ 循环或者非循环
在这里插入图片描述


🎗虽然有这么多的链表结构,但是实际中最常用的只有两种结构

1️⃣ 无头单向非循环链表
在这里插入图片描述
2️⃣ 带头双向循环链表
在这里插入图片描述
⚠ 注意:
▶ 无头单向非循环链表:结构简单,一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为其他数据结构的子结构,如哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在笔试面试中出现很多。
▶ 带头双向循环链表:结构最复杂,一般用在单独存储数据。实际中使用的链表数据结构,都是带头双向循环链表。另外这个结构虽然结构复杂,但是使用代码实现以后会发现结构会带来很多优势,实现反而简单了,后面我们代码实现了就知道了。

💦 单链表各接口实现 (动图分析)

这里写了三个文件:
1️⃣ SList.h文件,用于函数声明

2️⃣ SList.c文件,用于函数的定义

3️⃣ Test.c文件,用于测试函数


首先需要定义结构体SLTNode

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;//存储整型数据
	struct SListNode* next;//指向下一个节点的地址 
}SLTNode;

并定义plist变量 -> Test.c

SLTNode* plist = NULL;

接口1:开辟空间 (BuySListNode)

函数原型:
在这里插入图片描述
函数实现:

SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x)
{
	//每次调用开辟一个节点的空间
	SLTNode* node = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	if (node == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	node->data = x;
	node->next = NULL;
	//开辟成功,返回地址
	return node;
}

接口2:输出数据 (SListPrint)

函数原型:
在这里插入图片描述
函数实现:

void SListPrint(SLTNode* phead)
{
	//据情况分析,此处不需要断言,因为我们想在空链表时输出NULL
	//assert(phead);

	SLTNode* cur = phead;
	//遍历
	while (cur != NULL)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

接口3:尾插数据 (SListPushBack),详解请看下图:
请添加图片描述

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	//据析,指针可能为空,但是指针的地址不可能为空,所以需要断言(pphead就是plist的地址),且这里不能断言*pphead,因为这里空链表是可以处理的
	assert(pphead);
	//特殊情况
		//1、空链表
	if (*pphead == NULL)
	{
		//调用BuySListNode去开辟新节点
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		*pphead = newnode;
	}
		//2、非空链表
	else
	{
		SLTNode* tail = *pphead;
		//找尾 - NULL
		while(tail->next != NULL)
		{
			tail = tail->next;
		}	
		//开辟节点
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		tail->next = newnode;	
	}
}

📐 测试
在这里插入图片描述
接口4:头插数据 (SListPushFront),详解请看下图:
请添加图片描述

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	//对于首插来说,没有特殊情况,以下代码适用于空链表和非穿链表
	SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
	newnode->next = *pphead;
	*pphead = newnode;
}

📐 测试
在这里插入图片描述
接口5:尾删数据 (SListPopBack),详解请看下图(2种方式):

方式1:
请添加图片描述

方式2:
请添加图片描述

函数原型:

在这里插入图片描述

函数实现:

void SListPopBack(SLTNode** pphead)
{
	//据析,这里需要断言plist的地址是否传成NULL了;以及没有节点的情况
	assert(pphead);
	assert(*pphead);
	//特殊情况
	//一个节点的情况
	if ((*pphead)->next == NULL)
	{
		free(*pphead);
		*pphead = NULL;
	}
	else
	{
		//多个节点的情况 - 找尾 
		//1.先指向第一个节点的位置
		SLTNode* tail = *pphead;
	
		//2.删尾(错误示范) - 这样删尾会造成野指针(因为每个节点都是一个局部节点,如果这样释放掉后,则前一个节点的next就是一个野指针)
		/*while (tail->next != NULL)
		{
			tail = tail->next;
		}
		free(tail);
		tail = NULL; */
		
		//2.删尾(正确示范1)
		/*while (tail->next->next != NULL)
		{	
			tail = tail->next; 
		}
		free(tail->next);
		tail->next = NULL;*/
	
		//2.删尾(正确示范2) - 双指针
		SLTNode* prev = NULL;
		while (tail->next != NULL)
		{
			prev = tail;
			tail = tail->next;
		}
		free(tail->next);
		prev->next = NULL;
	}
}

📐 测试
在这里插入图片描述
接口6:头删数据 (SListPopFront),详解请看下图

请添加图片描述

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SListPopFront(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	assert(*pphead);
	//以下代码能适用于一个节点和多个节点,如果只有一个节点的情况,先备份NULL,就将NULL赋值于*pphead
	//备份第2个节点的地址
	SLTNode* temp = (*pphead)->next;
	//释放第一个节点
	free(*pphead);
	//再将拷贝的节点链接起来
	(*pphead) = temp;	
}

📐 测试
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接口7:查找数据 (SListFind)

函数原型:
在这里插入图片描述
函数实现:

SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
	//据析,如果是空链表时,这里就无法查找,所以需要断言
	assert(phead);
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		if (cur->data == x)
		{
			return cur;//返回x所在节点的地址
		}
		else
		{
			cur = cur->next;
		}
	}
	return NULL;//找不到返回空
}

接口8:指定的数之前插入数据 (SlistInser),不支持尾插,详解请看下图
请添加图片描述

因此可以看出单链表不适合在指定的数的前面插入的,因为它需要前面一个节点的地址

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SlistInser(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	//据析,这里需要调用SlistFind函数来配合使用,所以这里不需要判断是否为空链表,因为SlistFind函数内已经断言过了
	assert(pphead);
	assert(pos);
	//特殊情况
	//1、调用头插的接口
	if (*pphead == pos)
	{
		SListPushFront(pphead, x);
	}
	//2、非头插入 - 不包含尾插
	else
	{
		//找pos位置的前一个节点
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		//注意这里它们前后链接时可以颠倒
		newnode->next = pos;
		prev->next = newnode;
	}
}

📐 测试

在这里插入图片描述
接口9:指定的数之后插入数据 (SlistInser),不支持头插,详解请看下图

请添加图片描述

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SlistInserAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	//据析,这里也不需要判断空链表的情况
	assert(pos);
	SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
	//注意,必须先把pos后面节点的地址交给newnode->next,再将newnode的地址交给pos->next;两者不能颠倒
	newnode->next = pos->next;
	pos->next = newnode;	
}

📐 测试
在这里插入图片描述

接口10:指定的数删除 (SlistErase),详解请看下图

请添加图片描述
因此可以看出单链表不适合在删除指定的数,因为它需要前面一个节点的地址

函数原型:

在这里插入图片描述
函数实现:

void SlistErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
	//据析,这里也不需要判断空链表的情况
	assert(pphead);

	//1、调用头删
	if (pos == *pphead)
	{
		SListPopFront(pphead);
	}
	//2、其余节点 - 包括尾删
	else
	{
		//找pos位置的前一个节点
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		prev->next = pos->next;
		free(pos);
		pos = NULL;
	}
}

📐 测试
在这里插入图片描述

接口11:指定的数之后删除 (SlistEraseAfter),详解请看下图
请添加图片描述

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SlistEraseAfter(SLTNode* pos)
{
	//据析如果那个数后面为NULL,就删除不了,需要断言
	assert(pos);
	assert(pos->next);	

	//拷贝一份
	SLTNode* temp = pos->next->next;
	free(pos->next);
	pos->next = NULL;
	pos->next = temp;
}

📐 测试
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接口12:统计 (SListSize)

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

int SListSize(SLTNode* phead)
{
	//这里不需要断言
	int size = 0;
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

📐 测试
在这里插入图片描述

接口13:判空 (SListSize)

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

bool SListEmpty(SLTNode* phead)
{
	//判空,空是真,非空是假

	//写法1
	//return phead == NULL ? true : false;

	//写法2
	//if (phead == NULL)
	//{
	//	return true;
	//}
	//else
	//{
	//	return false;
	//}

	//写法3
	return phead == NULL; 
}

📐 测试
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接口14:销毁 (SListDestory)

函数原型:
在这里插入图片描述

函数实现:

void SListDestory(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* cur = *pphead;
	while (cur)
	{
		SLTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	*pphead = NULL;
}

📐 测试
在这里插入图片描述
📝 完整代码

SList.h

#pragma once

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;//存储整型数据
	struct SListNode* next;//指向下一个节点的地址 
}SLTNode;

//只读的函数接口
void SListPrint(SLTNode* phead);
int SListSize(SLTNode* phead);
bool SListEmpty(SLTNode* phead);
SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, SLTDataType x);
SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x);
void SListInserAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x);
void SListEraseAfter(SLTNode* pos);
void SListDestory(SLTNode** pphead);

//读写的函数接口
void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
void SListPopBack(SLTNode** pphead);
void SListPopFront(SLTNode** pphead);
void SListInser(SLTNode** pphead,  SLTNode* pos, SLTDataType x);
void SListErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);

SList.c

#include"SList.h"


void SListPrint(SLTNode* phead)
{
	//据情况分析,此处不需要断言,因为我们想在空链表时输出NULL
	//assert(phead);

	SLTNode* cur = phead;
	//遍历
	while (cur != NULL)
	{
		printf("%d->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("NULL\n");
}

SLTNode* BuySListNode(SLTDataType x)
{
	//每次调用开辟一个节点的空间
	SLTNode* node = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	if (node == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	
	node->data = x;
	node->next = NULL;
	//开辟成功,返回地址
	return node;
}
void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	//据析,指针可能为空,但是指针的地址不可能为空,所以需要断言(pphead就是plist的地址),且这里不能断言*pphead,因为这里空链表是可以处理的
	assert(pphead);
	//特殊情况
	//1、空链表
	if (*pphead == NULL)
	{
		//调用BuySListNode去开辟新节点
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		*pphead = newnode;
	}
	//2、非空链表
	else
	{
		SLTNode* tail = *pphead;
		//找尾 - NULL
		while(tail->next != NULL)
		{
			tail = tail->next;
		}	
		//开辟节点
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		tail->next = newnode;	
	}
}

void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
	assert(pphead);
	//对于首插来说,没有特殊情况,以下代码适用于空链表和非空链表
	SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
	newnode->next = *pphead;
	*pphead = newnode;
}
 
void SListPopBack(SLTNode** pphead)
{
	//据析,这里需要断言plist的地址是否传成NULL了;以及没有节点的情况
	assert(pphead);
	assert(*pphead);
	//特殊情况
	//一个节点的情况
	if ((*pphead)->next == NULL)
	{
		free(*pphead);
		*pphead = NULL;
	}
	else
	{
		//多个节点的情况 - 找尾 
		//1.先指向第一个节点的位置
		SLTNode* tail = *pphead;
	
		//2.删尾(错误示范) - 这样删尾会造成野指针(因为每个节点都是一个局部节点,如果这样释放掉后,则前一个节点的next就是一个野指针)
		/*while (tail->next != NULL)
		{
			tail = tail->next;
		}
		free(tail);
		tail = NULL; */
		
		//2.删尾(正确示范1)
		/*while (tail->next->next != NULL)
		{	
			tail = tail->next; 
		}
		free(tail->next);
		tail->next = NULL;*/
	
		//2.删尾(正确示范2) - 双指针
		SLTNode* prev = NULL;
		while (tail->next != NULL)
		{
			prev = tail;
			tail = tail->next;
		}
		free(tail->next);
		prev->next = NULL;
	}
}

void SListPopFront(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	assert(*pphead);

	//以下代码能适用于一个节点和多个节点,如果只有一个节点的情况,先备份NULL,就将NULL赋值于*pphead
	//备份第2个节点的地址
	SLTNode* temp = (*pphead)->next;
	//释放第一个节点
	free(*pphead);
	//再将拷贝的节点链接起来
	(*pphead) = temp;	
}

int SListSize(SLTNode* phead)
{
	//这里不需要断言
	int size = 0;
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

bool SListEmpty(SLTNode* phead)
{
	//判空,空是真,非空是假

	//写法1
	//return phead == NULL ? true : false;

	//写法2
	//if (phead == NULL)
	//{
	//	return true;
	//}
	//else
	//{
	//	return false;
	//}

	//写法3
	return phead == NULL; 
}

SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
	//据析,如果是空链表时,这里就无法查找,所以需要断言
	assert(phead);
	SLTNode* cur = phead;
	while (cur)
	{
		if (cur->data == x)
		{
			return cur;//返回x所在节点的地址
		}
		else
		{
			cur = cur->next;
		}
	}
	return NULL;//找不到返回空
}

void SListInser(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	//据析,这里需要调用SlistFind函数来配合使用,所以这里不需要判断是否为空链表,因为SlistFind函数内已经断言过了
	assert(pphead);
	assert(pos);
	//特殊情况
	//1、调用头插的接口
	if (*pphead == pos)
	{
		SListPushFront(pphead, x);
	}
	//2、非头插入 - 不包含尾插
	else
	{
		//找pos位置的前一个节点
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
		//注意这里它们前后链接时可以颠倒
		newnode->next = pos;
		prev->next = newnode;
	}
}

void SListInserAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
	//据析,这里也不需要判断空链表的情况
	assert(pos);
	SLTNode* newnode = BuySListNode(x);
	//注意,必须先把pos后面节点的地址交给newnode->next,再将newnode的地址交给pos->next;两者不能颠倒
	newnode->next = pos->next;
	pos->next = newnode;	
}

void SListErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
	//据析,这里也不需要判断空链表的情况
	assert(pphead);

	//1、调用头删
	if (pos == *pphead)
	{
		SListPopFront(pphead);
	}
	//2、其余节点 - 包括尾删
	else
	{
		//找pos位置的前一个节点
		SLTNode* prev = *pphead;
		while (prev->next != pos)
		{
			prev = prev->next;
		}
		prev->next = pos->next;
		free(pos);
		pos = NULL;
	}
}
void SListEraseAfter(SLTNode* pos)
{
	//据析如果那个数后面为NULL,就删除不了,需要断言
	assert(pos);
	assert(pos->next);	

	//拷贝一份
	SLTNode* temp = pos->next->next;
	free(pos->next);
	pos->next = NULL;
	pos->next = temp;
}

void SListDestory(SLTNode** pphead)
{
	assert(pphead);
	SLTNode* cur = *pphead;
	while (cur)
	{
		SLTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	*pphead = NULL;
}

Test.c

#include"SList.h"

void TestSList1()
{
	SLTNode* n1 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n1->data = 1;

	SLTNode* n2 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n2->data = 2;

	SLTNode* n3 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n3->data = 3;

	SLTNode* n4 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
	n4->data = 4;

	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;
	n4->next = NULL;

	SLTNode* plist = n1;
	SListPrint(plist);
}

void TestSList2()
{
	//定义plist变量
	SLTNode* plist = NULL;
	//尾插
	SListPushBack(&plist, 1);
	SListPushBack(&plist, 2);
	SListPushBack(&plist, 3);
	SListPushBack(&plist, 4);
	SListPrint(plist);
	//头插
	SListPushFront(&plist, 0);
	SListPushFront(&plist, -1);
	SListPushFront(&plist, -2);
	SListPrint(plist);
	//尾删
	SListPopBack(&plist);
	SListPrint(plist);
	//头删
	SListPopFront(&plist);
	SListPrint(plist);
	//查找 - 查找空链表时,断言报错;查找失败返回NULL;查找成功返回x所在的节点的地址 
	SLTNode* pos = SListFind(plist, 0);
	if (pos)
	{
		printf("找到了\n");
	}
	//指定的数之前插入数据 - 此函数实现不了尾插
	pos = SListFind(plist, -1);
	if (pos)//找到了才插入数据
	{
		SListInser(&plist, pos, -2);
	}
	SListPrint(plist);
	//指定的数之后插入数据 - 此函数实现不了头插
	pos = SListFind(plist, 3);
	if (pos)
	{
		SListInserAfter(pos, 4);
	}
	SListPrint(plist);
	//指定的数删除
	pos = SListFind(plist, 4);
	if (pos)
	{
		SListErase(&plist, pos);
	}
	SListPrint(plist);
	//删除指定的数之后的数
	pos = SListFind(plist, 2);
	if (pos)
	{
		SListEraseAfter(pos);
	}
	SListPrint(plist);
	//统计
	printf("%d\n", SListSize(plist));
	//判空,空是真,非空是假
	printf("%d\n", SListEmpty(plist));
	//销毁
	SListDestory(&plist);
}

int main()
{
	TestSList2();
	return 0;
}

💨 结果
在这里插入图片描述

四、顺序表和链表的区别和联系

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)
任意位置插入或删除元素 可能需要搬移元素,效率低 只需要修改指针指向
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频繁
缓存利用率、缓存命中率

💨 总结:

链表和顺序表没有谁更优,它们各有优缺点,相辅相成

备注:缓存利用率参考存储体系结构以及局部原理性
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

假设写了一个程序,实现分别对顺序表和链表上的每个数据+1,那么这个程序会编译成指令,然后CPU再执行
CPU运算的速度很快,那内存的速度跟不上,CPU一般就不会直接访问内存,而是把要访问的数据先加载到缓存体系,如果是 ≤ 8byte的数据 (寄存器一般是8byte),会直接到寄存器;而大的数据,会到三级缓存,CPU直接跟缓存交互。
CPU执行指令运算要访问内存,先要取0x10 (假设) 的数据,拿0x10去缓存中找,发现没有 (不命中) ,这时会把主存中这个地址开始的一段空间都读进来 (缓存)。
如果是整型数组,下一次访问0x14、0x18… 就会命中
如果是链表,先取第1个节点0x60,不命中;再取第2个0x90,不命中…。这样会造成一定的缓存污染

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