鏈表結構深度解析：從單向無頭到雙向循環的實現全指南

上篇博客實現動態順序表時，我們會發現它存在許多弊端，如：

? 中間/頭部的插?刪除，時間復雜度為O(N)
? 增容需要申請新空間，拷?數據，釋放舊空間。會有不?的消耗。
? 增容?般是呈2倍的增?，勢必會有?定的空間浪費。例如當前容量為100，滿了以后增容到200，我們再繼續插?了5個數據，后?沒有數據插?了，那么就浪費了95個數據空間。

這些問題該怎么解決呢？

我們需要學習線性表的另一種實現方式--鏈表。

目錄

1.鏈表的分類

2.單鏈表

2.1概念與結構

2.1.1結點

2.1.2鏈表的性質

2.2單鏈表的實現

2.2.1 SList.h

2.2.2 SList.c?

?3.雙向鏈表

3.1.概念與結構

?3.2雙向鏈表的實現

3.2.1List.h

?3.2.2 List.c

4.順序表與鏈表比較?

?

1.鏈表的分類

鏈表的結構?常多樣，以下情況組合起來有8種（2 x 2 x 2）鏈表結構：

鏈表可從三個維度分類組合：

  1. 單向與雙向：
    • 單向鏈表：結點僅含一個指向下一結點的指針；
    • 雙向鏈表：結點含前驅、后繼兩個指針。
  2. 帶頭與不帶頭：
    • 帶頭鏈表有專門頭結點（不存數據），便于操作；
    • 不帶頭鏈表首個結點即數據結點。
  3. 循環與不循環：
    • 循環鏈表：最后結點指針指向頭結點（帶頭）或首結點（不帶頭）；
    • 不循環鏈表：最后結點指針為?null（單向）或后繼為?null?且首結點前驅為?null（雙向）。

雖然有這么多的鏈表的結構，但是我們實際中最常用還是兩種結構： 單鏈表和 雙向帶頭循環鏈表。
1. 無頭單向非循環鏈表：結構簡單，?般不會單獨用來存數據。實際中更多是作為其他數據結構的子結構，如哈希桶、圖的鄰接表等等。另外這種結構在筆試面試中出現很多。
2. 帶頭雙向循環鏈表：結構最復雜，?般用在單獨存儲數據。實際中使用的鏈表數據結構，都是帶頭雙向循環鏈表。另外這個結構雖然結構復雜，但是使用代碼實現以后會發現結構會帶來很多優勢，實現反而簡單了，后?我們代碼實現了就知道了。

2.單鏈表

2.1概念與結構

概念：鏈表是?種物理存儲結構上非連續、非順序的存儲結構，數據元素的邏輯順序是通過鏈表中的指針鏈接次序實現的。
舉個例子，這是一列火車：

淡季時?次的?廂會相應減少，旺季時?次的?廂會額外增加?節。只需要將???的某節?廂去掉/加上，不會影響其他?廂，每節?廂都是獨?存在的。
在鏈表?，每節“?廂”是什么樣的呢？

2.1.1結點

與順序表不同的是，鏈表?的每節"?廂"都是獨?申請下來的空間，我們稱之為“結點”
結點的組成主要有兩個部分：當前結點要保存的數據和保存下?個結點的地址（指針變量）。
圖中指針變量 plist保存的是第?個結點的地址，我們稱plist此時“指向”第?個結點，如果我們希望
plist“指向”第?個結點時，只需要修改plist保存的內容為0x0012FFA0。
鏈表中每個結點都是獨?申請的（即需要插?數據時才去申請?塊結點的空間），我們需要通過指針變量來保存下?個結點位置才能從當前結點找到下?個結點。

2.1.2鏈表的性質

1、鏈式機構在邏輯上是連續的，在物理結構上不?定連續
2、結點?般是從堆上申請的
3、從堆上申請來的空間，是按照?定策略分配出來的，每次申請的空間可能連續，可能不連續
結合前?學到的結構體知識，我們可以給出每個結點對應的結構體代碼，假設當前保存的結點為整型： 
struct SListNode {int data; //結點數據struct SListNode* next; //指針變量?保存下?個結點的地址
};
當我們想要保存?個整型數據時，實際是向操作系統申請了?塊內存，這個內存不僅要保存整型數
據，也需要保存下?個結點的地址（直到下?個結點為空時保存的地址為空）。

2.2單鏈表的實現

注意：以下函數的一些參數有一些是二級指針，不是一級指針，使用時要格外注意。使用二級指針是因為要改變實參（使用一級指針的話，形參的變化影響不了實參）。

2.2.1 SList.h

#pragma once#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>typedef int SLTDataType;typedef struct SListNode
{SLTDataType data; //結點數據struct SListNode* next; //指針保存下?個結點的地址
}SLTNode;void SLTPrint(SLTNode * phead);//頭部插?刪除/尾部插?刪除
void SLTPushBack(SLTNode * *pphead, SLTDataType x);
void SLTPushFront(SLTNode * *pphead, SLTDataType x);void SLTPopBack(SLTNode * *pphead);
void SLTPopFront(SLTNode * *pphead);//查找
SLTNode * SLTFind(SLTNode * phead, SLTDataType x);//在指定位置之前插?數據
void SLTInsert(SLTNode * *pphead, SLTNode * pos, SLTDataType x);//刪除pos結點
void SLTErase(SLTNode * *pphead, SLTNode * pos);//在指定位置之后插?數據
void SLTInsertAfter(SLTNode * pos, SLTDataType x);//刪除pos之后的結點
void SLTEraseAfter(SLTNode * pos);//銷毀鏈表
void SListDestroy(SLTNode * *pphead);

2.2.2 SList.c?

2.2.2.1創建結點，打印鏈表，銷毀鏈表

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include "SList.h"// 測試函數：手動創建并遍歷一個單鏈表，最后釋放內存
void test1()
{// 手動創建4個節點并初始化數據（實際開發中建議封裝成函數）SLTNode* n1 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));n1->data = 1;  // 節點1數據賦值為1SLTNode* n2 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));n2->data = 2;  // 節點2數據賦值為2SLTNode* n3 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));n3->data = 3;  // 節點3數據賦值為3SLTNode* n4 = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));n4->data = 4;  // 節點4數據賦值為4// 手動連接節點形成鏈表：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> NULLn1->next = n2;n2->next = n3;n3->next = n4;n4->next = NULL;  // 鏈表終止標志// 遍歷鏈表并打印數據SLTNode* pcur = n1;  // 從鏈表頭節點開始遍歷while (pcur){printf("%d ", pcur->data);  // 打印當前節點數據pcur = pcur->next;          // 移動到下一個節點}printf("\n");  // 打印換行// 安全釋放鏈表內存（防止內存泄漏）SLTNode* current = n1;  // 重新從頭節點開始while (current){SLTNode* temp = current;  // 臨時保存當前節點地址current = current->next;  // 先移動到下一個節點free(temp);               // 釋放當前節點內存}// 注意：此時n1~n4已成為野指針，不可再訪問
}int main()
{test1();  // 執行測試函數return 0;
}

封裝函數：

1.創建結點：

SLTNode* CreateNode(int data)
{SLTNode* node = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));if (node == NULL){perror("malloc");exit(EXIT_FAILURE);}node->data = data;node->next = NULL;return node;
}

2.打印鏈表

void SLTPrint(SLTNode* phead)
{assert(phead);SLTNode* pcur = phead;while (pcur){printf("%d->", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("NULL\n");
}

3.銷毀鏈表

void SListDestroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* current = *pphead;while (current){SLTNode* temp = current;current = current->next;free(temp);}*pphead = NULL;
}

?2.2.2.2尾部插入刪除

void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* new_node = CreateNode(x);if (*pphead == NULL){*pphead = new_node;}else{SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur->next){pcur = pcur->next;}pcur->next = new_node;}
}void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);if ((*pphead)->next == NULL){free(*pphead);*pphead = NULL;}else{SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next->next){tail = tail->next;}free(tail->next);tail->next = NULL;}
}

2.2.2.3頭部插入刪除??

void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* new_node = CreateNode(x);new_node->next = *pphead;*pphead = new_node;
}void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead && *pphead);SLTNode* tem = (*pphead)->next;free(*pphead);*pphead = tem;
}

2.2.2.3查找?

SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{assert(phead);SLTNode* pcur = phead;while (pcur){if (pcur->data = x){return pcur;}pcur = pcur->next;}return NULL;
}

2.2.2.4在指定位置插入刪除

void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pphead);assert(pos);if (*pphead == pos){SLTPushFront(pphead,x);}else{SLTNode* new_node = CreateNode(x);SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur->next != pos){pcur = pcur->next;}pcur->next = new_node;new_node->next = pos;}
}void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{assert(pos);SLTNode* new_node = CreateNode(x);new_node->next = pos->next;pos->next = new_node;
}void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead && *pphead);if (*pphead == pos){SLTPopFront(pphead);}else{SLTNode* pcur = *pphead;while (pcur->next != pos){pcur = pcur->next;}pcur->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}
}void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos);SLTNode* del = pos->next;pos->next = pos->next->next;free(del);del = NULL;
}

?3.雙向鏈表

3.1.概念與結構

帶頭雙向循環鏈表是一種具有特定結構與特性的線性數據結構。其每個節點包含三部分：數據域（存儲實際數據）、前驅指針（prev，指向前驅節點）與后繼指針（next，指向后繼節點），以此實現雙向鏈接。鏈表存在一個頭結點（通常為哨兵節點，不存儲有效數據），尾節點的?next?指針指向頭結點，頭結點的 prev?指針指向尾節點，構成循環結構。

?

從結構細節看：

?
  • 頭結點（head）：作為鏈表起始點，next?指向首個數據節點（如?d1），prev?指向尾節點（如?d3）。
  • 數據節點（如?d1、d2、d3）：
    • d1?的 prev?指向頭結點?head，next?指向?d2；
    • d2?的 prev?指向?d1，next?指向?d3；
  • 尾節點（d3）：next?指向頭結點?head，prev?指向?d2。
typedef int LTDataType;typedef struct listNode {LTDataType data;struct listNode* next;struct listNode* prev;
}LTNode;

?3.2雙向鏈表的實現

3.2.1List.h

#pragma once#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>typedef int LTDataType;typedef struct listNode {LTDataType data;struct listNode* next;struct listNode* prev;
}LTNode;LTNode* CreateNode(LTDataType x);//初始化
LTNode* LTInit2();
void LTInit1(LTNode** pphead);//打印鏈表
void LTPrint(LTNode* phead);//判斷鏈表是否為空
bool LTEmpty(LTNode* phead);//尾插及尾刪
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopBack(LTNode* phead);//頭插及頭刪
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopFront(LTNode* phead);//查找
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);//在pos位置之后插?數據
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);//刪除pos結點
void LTErase(LTNode* pos);//銷毀鏈表
void LTDestroy(LTNode* phead);

?3.2.2 List.c

3.2.2.1初始化鏈表，創建結點，打印鏈表，判斷鏈表是否無有效數據

LTNode* CreateNode(LTDataType x)
{LTNode* new_node = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));if (new_node == NULL){perror("malloc");exit(1);}new_node->data = x;new_node->prev = new_node->next = new_node;return new_node;
}void LTInit1(LTNode** pphead)
{assert(pphead);*pphead = CreateNode(-1);
}LTNode* LTInit2()
{LTNode* phead = CreateNode(-1);return phead;
}void LTPrint(LTNode* phead)
{assert(phead);LTNode* pcur = phead->next;while (pcur != phead){printf("%d ", pcur->data);pcur = pcur->next;}printf("\n");
}bool LTEmpty(LTNode* phead)
{assert(phead);return phead->next == phead;
}

3.2.2.2尾插及尾刪

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);//phead->prev new_node pheadLTNode* new_node = CreateNode(x);new_node->next = phead;new_node->prev = phead->prev;phead->prev->next = new_node;phead->prev = new_node;
}void LTPopBack(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(!LTEmpty(phead));//phead->prev->prev  phead->prev  pheadLTNode* del = phead->prev;del->prev->next = phead;phead->prev = del->prev;free(del);
}

尾插

?

尾刪

?

3.2.2.3頭插及頭刪

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* new_node = CreateNode(x);//phead new_node phead->nextnew_node->next = phead->next;new_node->prev = phead;phead->next->prev = new_node;phead->next = new_node;
}void LTPopFront(LTNode* phead)
{assert(phead);assert(!LTEmpty(phead));LTNode* del = phead->next;del->next->prev = phead;phead->next = del->next;free(del);del = NULL;
}

頭插

頭刪

?3.2.2.4查找，在指定位置插入及刪除

?

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{assert(phead);LTNode* pcur = phead->next;while (pcur != phead){if (pcur->data == x){return pcur;}pcur = pcur->next;}return NULL;
}//在pos位置之后插?數據
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{assert(pos);LTNode* new_node = CreateNode(x);new_node->next = pos->next;new_node->prev = pos;pos->next->prev = new_node;pos->next = new_node;
}void LTErase(LTNode* pos)
{assert(pos);assert(!(pos->prev == pos && pos->next == pos));pos->next->prev = pos->prev;pos->prev->next = pos->next;free(pos);
}

在指定位置之后插入

?

刪除指定位置結點

3.2.2.5銷毀鏈表

?

void LTDestroy(LTNode* phead)
{assert(phead);LTNode* pcur = phead->next;while (pcur != phead){LTNode* del = pcur;pcur = pcur->next;free(del);}free(phead);
}

4.順序表與鏈表比較?

不同點順序表鏈表（單鏈表）
存儲空間上
物理上?定連續
邏輯上連續，但物理上不?定連續
隨機訪問
?持O(1）
不?持：O(N)
任意位置插?或者刪除元素
可能需要搬移元素，效率低O(N)
只需修改指針指向
插?
動態順序表，空間不夠時需要擴容和空間浪費
沒有容量的概念，按需申請釋放，不存在空間浪費
應?場景
元素?效存儲+頻繁訪問
任意位置?效插?和刪除

?

?

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