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链表的概念及结构
概念: 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指针链接次序实现的。
结构:
注意:
- 从图中可以看出,链表在逻辑上是连续的,但是物理上不一定连续
- 现实中结点一般是从堆上申请出来的
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中链表结构
- 单向或双向
- 带头或不带头
- 循环或非循环
虽然有这么多的链表的结构,但我们实际中最常用的就是两种结构:无头单向非循环链表 和 带头双向循环链表
- 无头单向非循环链表(单链表):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。
今天我们就介绍实现在面试中常考的一种 —— 单链表
链表的实现
链表的单个结点的定义
首先我们需要对单个结点进行定义
typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
SLTDataType data;
struct SListNode* next;
}SLTNode;
就像这个图一样,一个空间存放数据,一个空间存放下一个结点的地址
单链表的接口
我们把链表的主要接口写出来,然后我们一 一去实现这些接口:
//打印单链表
void SListPrint(SLTNode* phead);
//销毁链表
void SListDestory(SLTNode** pphead);
//创建结点
SLTNode* BuySLTNode(SLTDataType x);
//头插
void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
//尾插
void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x);
//头删
void SListPopFront(SLTNode** pphead);
//尾删
void SListPopBack(SLTNode** pphead);
//查找
SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, SLTDataType x);
//在pos位置之前插入
void SListInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x);
//在pos位置之后插入
void SListInsertAftre(SLTNode* pos, SLTDataType x);
// 删除pos位置
void SListerase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
// 删除pos后面位置
void SListeraseAfter(SLTNode* pos);
创建结点
因为我们在头插、尾插以及在pos位置前后进行插入结点之前,都必须申请一个结点,所以我将创建结点也封装成一个函数接口,在需要创建结点时直接调用,代码实现如下:
//创建节点
SLTNode* BuySLTNode(SLTDataType x)
{
SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
if (newnode == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
return newnode;
}
注意: 我们创建结点,由于需要自己手动申请内存,所以我们的结点是在堆上开辟的
单链表的头插
首先,我们来实现一个头插的接口,头插就是在链表的头部插入一个结点
在进行头插的时候我们需要考虑一个问题:
- 这个接口接收的形参应该是一级指针还是二级指针?
- 此时链表 为空 或者 不为空,是否有区别?
为了更好理解头插,我们先看一个动图展示
看完动图我们可以知到上面的问题。
形参应该是二级指针。为什么呢?(只要涉及到头结点改变的都是,后面不重复说明)
当我们需要进行头插时,我们需申请一个结点,且这个结点要变为头结点。就如上面动图所展示,head开始指向头结点d1,然后指向d3,最后指向d4,d4成为新的头结点。期间我们head指针的指向发生了改变。
因为head本身是一个一级指针,若我们的形参还是一级指针,那么由于形参是实参的一份临时拷贝,形参的改变不会影响实参,所以需使用传参来改变指针的指向只能通过二级指针来改变,一级指针是不行的。
要改谁就传谁的地址
对于头插而言,链表是否为空是不需要考虑的,只需考虑到传二级指针就可以很好实现了 。
代码实现如下:
//头插
void SListPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
newnode->next = *pphead;
*pphead = newnode;
}
单链表的尾插
尾插就是在链表的尾部插入一个结点,听起来很简单,但我们需要考虑的问题有:
- 此时链表是否为空,如果为空,我们需要怎么做,不为空有应该怎么做,这里需要分两种情况讨论。
- 也需要传二级指针
动图展示:
链表为空时:
链表不为空时:
代码实现如下:
//尾插
void SListPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
if (*pphead == NULL)//链表为空
{
*pphead = newnode;
}
else
{
//链表不为空
//找尾
SLTNode* tail = *pphead;
while (tail->next != NULL)
{
tail = tail->next;
}
tail->next = newnode;
}
}
单链表的头删
头删时链表不能为空,否则就不能进行删除
动图展示:
代码实现如下:
//头删
void SListPopFront(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead);
assert(*pphead != NULL);//暴力解决方式
/*if (*pphead == NULL)
{
return;//温柔解决
}*/
SLTNode* tmp = *pphead;
*pphead = tmp->next;
free(tmp);
tmp = NULL;
}
单链表的尾删
尾删就是删除链表的最后一个结点,听起来很简单,但我们仍需要注意几点:
- 只有一个结点
- 多个结点
注意:尾删时链表不能为空,否则无法进行删除
动图演示:
只有一个结点:
多个结点
代码实现:
//尾删
void SListPopBack(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead);
//链表不能为空,否则无法进行删除
assert(*pphead != NULL);
//1.只有一个节点
if ((*pphead)->next == NULL)
{
free(*pphead);
*pphead = NULL;
}
//2.多个节点
else
{
//找尾 -- 删除尾结点,但要记录尾结点的前一个节点的位置
SLTNode* tail = *pphead;
SLTNode* prev = *pphead;//记录尾结点的前一个结点
//方法一
//while (tail->next != NULL)
//{
// prev = tail;
// tail = tail->next;
//}
//free(tail);
//tail = NULL;
//prev->next = NULL;
//方法二
while (tail->next->next != NULL)
{
tail = tail->next;
}
free(tail->next);
tail->next = NULL;
}
}
单链表的打印
完成尾插尾删、头插头删,我们就可以实现打印接口了。
链表的打印就是遍历一遍链表,链表遍历和数组有点不一样,链表的遍历是判断当前位置是否为NULL,是就不打印了,不是就打印,通过·cur = cur->next·来移动当前位置。
代码实现如下:
//打印单链表
void SListPrint(SLTNode* phead)
{
SLTNode* cur = phead;
while (cur != NULL)
{
printf("%d->", cur->data);
cur = cur->next;
}
printf("NULL\n");
}
单链表的查找
查找也是相当于遍历链表,从头开始遍历,如果找到该数据,则返回该结点的地址,没找到则返回NULL。
由于仅仅时遍历链表,并没有涉及到头结点的改变,所以不需要传二级指针。
代码实现如下:
//查找
SLTNode* SListFind(SLTNode* phead, SLTDataType x)
{
SLTNode* cur = phead;
while (cur)
{
if (cur->data == x)
return cur;
cur = cur->next;
}
return NULL;
}
单链表在pos位置之前插入结点
我们在pos位置之前插入结点,需要考虑以下几点:
- pos位置是头结点该如何插入?
- pos位置不是头结点该如何插入?
- pos需要检查是否为空,为空就不能进行操作
- 若是pos不在链表内则使用断言中断程序
1 . pos位置是头结点:
当pos位置是头结点时,我们在其前面插入结点就相当于头插,调用头插接口即可
if (pos == *pphead)//pos位置在头节点,相当于头插
{
//代码复用
SListPushFront(pphead, x);
}
2 . pos位置不是头结点:
如果pos位置不是头结点,那我们就需要遍历链表找到pos结点的前一个结点,在进行插入
SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
//暴力检查,若pos不在链表中,则prev为空,pos传错了
assert(prev);
}
prev->next = newnode;
newnode->next = pos;
完整代码如下:
//在pos位置之前插入
void SListInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pphead);
assert(pos);
if (pos == *pphead)//pos位置在头节点,相当于头插
{
/*SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
newnode->next = *pphead;
*pphead = newnode;*/
//代码复用
SListPushFront(pphead, x);
}
else
{
SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
//暴力检查,若pos不在链表中,则prev为空,pos传错了
assert(prev);
}
prev->next = newnode;
newnode->next = pos;
}
}
单链表在pos位置之后插入结点
在pos位置之后插入结点就简单很多了,只需判断pos位置是否为空,甚至不需要传链表的指针
代码实现如下:
//在pos位置之后插入
void SListInsertAftre(SLTNode* pos, SLTDataType x)
{
assert(pos);
SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);
newnode->next = pos->next;
pos->next = newnode;
}
单链表删除pos位置的结点
在删除pos位置的结点时,我们需要考虑pos位置是否在头结点
是头结点时,等于头删
不是头结点,那我们就需要遍历链表找到pos结点的前一个结点,在进行删除
代码实现如下:
void SListerase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
assert(pphead);
assert(pos);//pos位置不能为空
if (pos == *pphead)//头删
{
SListPopFront(pphead);
}
else
{
SLTNode* prev = *pphead;
while (prev->next != pos)
{
prev = prev->next;
}
prev->next = pos->next;
free(pos);
//pos = NULL; //无意义,因为传过来的不是二级指针,形参的改变不影响实参
//可以在使用的时候,自己置空
}
}
单链表删除pos位置之后的结点
删除pos位置下一个的结点,只需将pos->next指向下一个的下一个即可,但我们要注意的是,pos位置不能是尾结点,否接就会造成内存非法访问问题。
代码实现如下:
// 删除pos后面位置
void SListeraseAfter(SLTNode* pos)
{
assert(pos);
assert(pos->next != NULL);
SLTNode* tmp = pos->next;
pos->next = tmp->next;
free(tmp);
}
单链表的销毁
//销毁
void SListDestory(SLTNode** pphead)
{
assert(pphead);
SLTNode* cur = *pphead;
while (cur != NULL)
{
SLTNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
*pphead = NULL;
}
总结
单链表在逻辑上是连续的,但在物理上不一定连续,可以做到按需所取,但不支持随机访问。
上述实现单链表是传的二级指针,若不想传二级指针,可以使用以下两种方法:
1.使用带头结点的链表,链表没有元素时头指针指向头结点,不需要对头指针修改
2. 调用函数时以返回值的形式返回头指针,让头指针在调用时赋值(非常麻烦)