数据结构-双向链表

1.带头双向循环链表：

前面我们已经知道了链表的结构有8种，我们主要学习下面两种：

前面我们已经学习了无头单向非循环链表，今天我们来学习带头双向循环链表：

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

带头双向循环链表不需要二级指针，因为我们刚开始就为其开辟了一个节点，叫做哨兵位头节点，它是结构体中的指针，用结构体指针就能改变它，而要改变结构体外面的指针才会用二级指针。

双向循环链表顾名思义，除了哨兵位头节点以外，每个节点里面应该有两个指针，下面我们定义一个结构体：

typedef int ListDatatype;
typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;
	struct ListNode* next;
	ListDatatype data;
}LTNode;

prev指向前一个节点，next指向后一个节点。

2. 带头双向循环链表的实现：

双向链表初始化：

LTNode* InitList()
{
	LTNode* phead = BuyList(-1);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;
	return phead;
}

双向循环链表开始时头和尾都指向自己：

BuyList函数的功能是创建节点，我们在初始化时用它创建哨兵位头节点，因为后面还有多次使用，所以把它封装为函数。

双向链表打印：

void Print(LTNode* phead)
{
	LTNode*cur = phead->next;
	printf("guard<->");
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

开辟节点函数：

LTNode* BuyList(ListDatatype x)
{
	LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return NULL;
	}
	newnode->prev = NULL;
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	return newnode;
}

双向链表头插：

头插实际是在哨兵位头节点phead的后面插入，保存住head->next的位置，然后把newnode前后分别和head、head->next链接起来就行。

代码如下：

void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* next = phead->next;
	phead->next = newnode;
	next->prev = newnode;
	newnode->next = next;
	newnode->prev = phead;
}

这段代码神奇的地方在于，即使链表为空，它也能头插，并且不需要判断链表是否为空：

因为就算链表为空，我们有哨兵位头节点存在，就不用担心空指针的问题。

双向链表尾插：

双向链表相对于单链表的优势就是不用找尾，因为它的phead->prev就是尾，尾插同头插差不多，把newnode的前后分别和链表的尾和头链接起来即可。

代码如下：

void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* tail = phead->prev;
	tail->next = newnode;
	phead->prev = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
}

和头插一样，尾插也不用判断链表为空的情况。

双向链表头删：

头删指的是删除哨兵位头节点后面一个节点，只要将头节点与要删除的节点后面的节点相连接，然后free掉要删除的节点即可。

代码如下：

void ListPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!ListEmpty(phead));
	LTNode* cur = phead;
	LTNode* first = cur->next;
	LTNode* second = first->next;
	second->prev = phead;
	phead->next = second;
	free(first);
}

删除时要注意不能删除哨兵位头节点，所以要断言一下，链表为空就不能再删了，我们也可以封装一个判断链表是否为空的函数ListEmpty():

bool ListEmpty(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	return phead->next == phead;
}

bool类型的返回值是true或者false。

双向链表尾删：

尾删要保存尾节点的前一个节点，然后把前一个节点和头节点链接起来，free尾节点即可。

代码如下：

void ListPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!ListEmpty(phead));
	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailPrev = tail->prev;
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;
	free(tail);
}

注意：同头删一样，尾删也要判断是否为空链表。

双向链表查找：

双向循环链表的查找和单链表的查找不同，遍历时从head的下一个节点开始，到head的上一个节点（即尾节点）结束，所以判断条件有所不同，注意区分。找到时，返回该节点位置。

代码如下：

LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->data == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

双向链表在pos之前插入：

保存pos的前一个节点，把newnode的前后分别与pos的前一个节点和pos链接起来即可。

要测试该功能，可以配合查找函数，先找到pos。

代码如下：

void ListInsert(LTNode* pos, ListDatatype x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* posPrev = pos->prev;
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = posPrev;
	posPrev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
}

这段代码可以直接在头插和尾插中复用，也就是说，我们要实现头插、尾插和任意位置插入，只用这一个函数就可以解决。

头插：

ListInsert(phead->next, x);

尾插：

ListInsert(phead, x);

双向链表在pos位置删除：

配合查找函数先找到pos位置，然后删除就行。

代码如下：

void ListErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);
	LTNode* posPrev = pos->prev;
	LTNode* posNext = pos->next;
	posPrev->next = posNext;
	posNext->prev = posPrev;
	free(pos);
}

这段代码也可以同时实现头删、尾删和任意位置删除：

头删：

ListErase(phead->next);

尾删：

ListErase(phead->prev);

双向链表的销毁：

销毁也是从哨兵位的下一个节点开始，注意每次都要保存要销毁节点的后面一个节点的位置，防止找不到后面的节点，最终要把哨兵位也销毁掉。

代码如下：

void ListDestory(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	free(phead);
}

以上就是双向链表的全部功能实现，下面给出完整代码：

3.完整代码：

test.c

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
//测试
ListTest1()
{
	LTNode* plist = InitList();
	Print(plist);
	//头插
	ListPushFront(plist, 1);
	ListPushFront(plist, 2);
	ListPushFront(plist, 3);
	ListPushFront(plist, 4);
	Print(plist);
	//尾插
	ListPushBack(plist, 5);
	ListPushBack(plist, 6);
	ListPushBack(plist, 7);
	ListPushBack(plist, 8);
	Print(plist);
	//头删
	ListPopFront(plist);
	ListPopFront(plist);
	Print(plist);
	//尾删
	ListPopBack(plist);
	ListPopBack(plist);
	Print(plist);
	//在pos位置之前插入
	LTNode* pos = ListSearch(plist, 1);
	if (pos != NULL)
		ListInsert(pos, 666);
	Print(plist);
	//在pos位置删除
	pos = ListSearch(plist, 6);
	if(pos!=NULL)
		ListErase(pos);
	Print(plist);
}
int main()
{
	ListTest1();
	return 0;
}

List.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
typedef int ListDatatype;
typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;
	struct ListNode* next;
	ListDatatype data;
}LTNode;
//双向链表初始化
LTNode* InitList();
//双向链表打印
void Print(LTNode* phead);
//双向链表头插
void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x);
//双向链表尾插
void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x);
//双向链表头删
void ListPopFront(LTNode* phead);
//双向链表尾删
void ListPopBack(LTNode* phead);
//双向链表查找
LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x);
//在pos位置之前插入
void ListInsert(LTNode*pos, ListDatatype x);
//在pos位置删除
void ListErase(LTNode* pos);
//销毁链表
void ListDestory(LTNode* phead);

List.c

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"List.h"
//开辟节点函数
LTNode* BuyList(ListDatatype x)
{
	LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return NULL;
	}
	newnode->prev = NULL;
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	return newnode;
}
//双向链表初始化
LTNode* InitList()
{
	LTNode* phead = BuyList(-1);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;
	return phead;
}
//打印函数
void Print(LTNode* phead)
{
	LTNode*cur = phead->next;
	printf("guard<->");
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<->", cur->data);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}
//双向链表头插
void ListPushFront(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* next = phead->next;
	phead->next = newnode;
	next->prev = newnode;
	newnode->next = next;
	newnode->prev = phead;
	/*ListInsert(phead->next, x);*/
}
//双向链表尾插
void ListPushBack(LTNode* phead, ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* tail = phead->prev;
	tail->next = newnode;
	phead->prev = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
	/*ListInsert(phead, x);*/
}
//判断空链表函数
bool ListEmpty(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	return phead->next == phead;
}
//双向链表头删
void ListPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!ListEmpty(phead));
	LTNode* cur = phead;
	LTNode* first = cur->next;
	LTNode* second = first->next;
	second->prev = phead;
	phead->next = second;
	free(first);
	/*ListErase(phead->next);*/
}
//双向链表尾删
void ListPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	assert(!ListEmpty(phead));
	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailPrev = tail->prev;
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;
	free(tail);
	/*ListErase(phead->prev);*/
}
//双向链表查找
LTNode* ListSearch(LTNode*phead,ListDatatype x)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->data == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}
//双向链表在pos之前插入
void ListInsert(LTNode* pos, ListDatatype x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = BuyList(x);
	LTNode* posPrev = pos->prev;
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = posPrev;
	posPrev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
}
//双向链表在pos位置删除
void ListErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);
	LTNode* posPrev = pos->prev;
	LTNode* posNext = pos->next;
	posPrev->next = posNext;
	posNext->prev = posPrev;
	free(pos);
}
//双向链表销毁
void ListDestory(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	free(phead);
}

4.测试：

5.顺序表和链表的区别

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频繁
缓存利用率	高	低

总结一下：

下面我们再来补充一些内容：

这里有个问题，在计算机中使用顺序表效率高还是使用链表效率高呢？

答案是：顺序表。

因为在计算机中，由于运行速度不匹配的问题，CPU不会直接和主存交换数据，而是先把数据从主存中取出来放到高速缓存中，然后再进行访问数据，而访问数据会出现两种情况：

1.如果数据在缓存中，就叫做缓存命中，可以直接访问。

2.如果数据不在缓存中，就叫做缓存不命中，这时候需要先把数据加载到缓存中，然后再访问数据。

当缓存不命中时，计算机会把数据加载到缓存中，而加载时会将这个数据后面的数据也一起加载进去（局部性原理），如果是顺序表，因为它的内存空间是连续的，后面的数据会直接命中，这样它的缓存命中率就高；如果是链表，它一旦命中不了，也会加载一段数据，但是这些数据不一定会用，这就造成了浪费，还会导致数据污染，这样它的缓存命中率就低了。

这就是今天关于双向链表的全部内容了，未完待续。。。