双向链表 -- 详细理解和实现

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前言

双向链表是一种带头双向循环的链表。在双向链表中，首先存在着一个头结点；其次每个节点有指向下一个节点的指针next 和指向上一个节点的指针prev ；最后，双向链表的头结点中存放上一个节点的指针指向链表的尾节点，尾节点中存放下一个节点的指针指向链表的头结点，形成一个闭环。这样双向链表既可以从前遍历，也可以从后遍历，直到回到起点。

一、链表的分类

链表的结构多种多样，链表呢可以是带头（不带头）、双向（单向）、循环（不循环）的，我们之前实现的单链表其实就是不带头，单向，不循环的链表。

而这些有什么区别呢？

带头和不带头

这里带头和不带头指的是有没有头结点，这单链表的实现过程中，是直接创建一个指针变量指向链表的第一个节点（这是没有头结点的情况），而存在头结点呢，就是一个哨兵位，里面没有存放数据，存放了指向第一个节点的指针。

可以看到，带头的链表多了一个节点（head），这个节点中没有存放任何数据，这样做可以方便对链表的节点进行统一操作。

单向和双向

单向是可以通过一个节点找到它的后一个节点，而双向是可以通过一个节点找到它前后的节点。

循环和不循环

这实现单链表的时候，我们将链表的最后一个节点next指针置位了空指针（NULL），而循环的链表中，我们会将最后一个节点的next指针指向链表的头结点，对于双向链表，将头节点的prev(上一个节点）指针指向链表的尾节点。

二、双向链表的实现

这里实现的双向链表，先来看一下双向链表的节点结构

双向链表节点

typedef int LTDataType;
//双向链表
typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;  //指向上一个节点
	struct ListNode* next;  //指向下一个节点
	LTDataType data;
}LTNode;

双向链表的功能预览

//初始化并创建头结点
void LTInit(LTNode** phead);
//LTNode* LTInit();
//输出
void LTPrint(LTNode* phead);
//创建新的节点
LTNode* LTBuyNode(LTDataType x);
//头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
//尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
//头删
void LTPopFront(LTNode* phead);
//尾删
void LTPopBack(LTNode* phead);
//查找
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType find);
//在pos节点之后插入数据
void LTPushAfter(LTNode* pos, LTDataType x);
//在pos节点之前插入数据
void LTPush(LTNode* pos, LTDataType x);
//删除pos节点
void LTPop(LTNode* pos);
//链表销毁
void LTDesTroy(LTNode* phead);

2.1、创建新的节点

创建节点，和单链表一样，都是动态开辟的空间。

//创建新的节点
LTNode* LTBuyNode(LTDataType x)
{
	LTNode* ptail = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (ptail == NULL)
	{
		perror("LTBuyNode--malloc filed!");
		exit(1);
	}
	ptail->data = x;
	ptail->prev = ptail->next = NULL;
	return ptail;
}

2.2、双向链表初始化并创建头结点

链表初始化，其实就是创建一个头节点（也叫哨兵位）；因为这里是双向链表，创建完头节点之后，让头节点的prev和next指针都指向它自己。

//初始化并创建头结点
void LTInit(LTNode** phead)
{
	*phead = LTBuyNode(-1);
	(*phead)->prev = (*phead)->next = *phead;
}

2.3、输出链表

遍历链表并输出有效数据，这里双向链表可以从前开始遍历也可以从后开始遍历。

//输出
void LTPrint(LTNode* phead)
{
	LTNode* ptail = phead->next;
	//遍历双向链表 -- 从前开始遍历
	while (ptail != phead)
	{
		printf("%d -> ", ptail->data);
		ptail = ptail->next;
	}
	printf("\n");
}

2.4、双向链表头插数据

从链表的头部插入数据，创建新的节点，然后将新的节点prev指针指向头节点，将next指针指向头节点的下一个节点；然后修改头节点的next指针和头节点下一个节点的prev指针即可。

//头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = phead->next;

	//修改前后节点的指针指向
	phead->next->prev = newnode;
	phead->next = newnode;
}

2.5、双向链表尾插数据

从链表尾部插入到尾节点的后面，创建新的节点，将新节点的prev指针指向头节点的上一个节点，将next指针指向头节点，然后修改尾节点的next指针和头节点的prev指针即可。

//尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->prev = phead->prev;
	newnode->next = phead;

	//修改前后节点指针指向
	phead->prev->next = newnode;
	phead->prev = newnode;
}

2.6、双向链表头删数据

头删是删除头节点的后一个节点，因为是动态开辟的内存，需要内存释放；删除后，让头节点的next指针指向下一个数据的节点。

//头删
void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead && phead != phead->next); //链表为空的话就不能进行删除
	LTNode* del = phead->next;  
	phead->next->next->prev = phead;
	phead->next = phead->next->next;
	free(del);
	del = NULL;
}

2.7、双向链表尾删数据

尾插是删除链表的尾节点，释放内存之后，让尾节点的上一个节点next指针指向头节点，头节点的prev指针指向删除节点的上一个节点。

//尾删
void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead && phead->next != phead); //链表为空不能进行删除
	LTNode* del = phead->prev;
	del->prev->next = phead;
	phead->prev = del->prev;
	free(del);
	del = NULL;
}

2.8、双向链表查找数据

这里如果找到了，就返回该节点的指针，如果没有就返回NULL；方便对其进行前后插入数据和删除。

//查找
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType find)
{
	assert(phead);
	LTNode* ptail = phead->next;
	while (ptail != phead) //遍历链表
	{
		if (ptail->data == find) {
			return ptail;
		}
		ptail = ptail->next;
	}
	return NULL;
}

2.9、在指定节点pos之前插入数据

根据我们查找到的节点，在其之前插入数据，首先创建新节点，将新节点的prev指针指向pos的前一个节点，新节点的next指针指向pos；再修改pos的上一个节点的next指针指向和pos的prev指针指向即可；

//在pos节点之前插入数据
void LTPush(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = pos->prev;

	//修改pos前后节点指针的指向
	pos->prev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
}

这里就可以发现双向链表的一个好处，不用像单向链表那样遍历链表来寻找pos的上一个节点。

2.10、在指定节点pos之后插入数据

根据查找到的节点，在其之后插入数据；首先创建节点，将新节点的prev指针指向pos，新节点的next指针指向pos的下一个节点；然后修改pos的next指针指向和pos下一个节点的prev指针指向即可。

//在pos节点之后插入数据
void LTPushAfter(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->next = pos->next;
	newnode->prev = pos;

	//修改pos前后节点指针的指向
	pos->next->prev = newnode;
	pos->next = newnode;
}

2.11、删除指定节点pos

根据查找到的节点，然后将其删除，这里需要修改pos前后节点的指针指向。

//删除pos节点
void LTPop(LTNode* pos)
{
	assert(pos);
	pos->prev->next = pos->next;
	pos->next->prev = pos->prev;
	free(pos);
	pos = NULL;
}

2.12、双向链表的销毁

及时对动态开辟的内存进行释放，养成好习惯

现在，动态开辟的链表需要进行销毁（也就是动态内存释放），这里就需要遍历链表了。

//链表销毁
void LTDesTroy(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* ptail = phead->next;
	while (ptail != phead)
	{
		LTNode* del = ptail->next;
		free(ptail);
		ptail = del;
	}
	free(ptail);
	ptail = NULL;
}

代码总览

List.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

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

typedef int LTDataType;
//双向链表
typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* prev;  //指向上一个节点
	struct ListNode* next;  //指向下一个节点
	LTDataType data;
}LTNode;

//初始化并创建头结点
void LTInit(LTNode** phead);
//LTNode* LTInit();
//输出
void LTPrint(LTNode* phead);
//创建新的节点
LTNode* LTBuyNode(LTDataType x);
//头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
//尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
//头删
void LTPopFront(LTNode* phead);
//尾删
void LTPopBack(LTNode* phead);
//查找
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType find);
//在pos节点之后插入数据
void LTPushAfter(LTNode* pos, LTDataType x);
//在pos节点之前插入数据
void LTPush(LTNode* pos, LTDataType x);
//删除pos节点
void LTPop(LTNode* pos);
//链表销毁
void LTDesTroy(LTNode* phead);

List.c

#include"List.h"

//创建新的节点
LTNode* LTBuyNode(LTDataType x)
{
	LTNode* ptail = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (ptail == NULL)
	{
		perror("malloc filed!");
		exit(1);
	}
	ptail->data = x;
	ptail->prev = ptail->next = NULL;
	return ptail;
}
//初始化并创建头结点
void LTInit(LTNode** phead)
{
	*phead = LTBuyNode(-1);
	(*phead)->prev = (*phead)->next = *phead;
}
//输出
void LTPrint(LTNode* phead)
{
	LTNode* ptail = phead->next;
	//遍历双向链表 -- 从前开始遍历
	while (ptail != phead)
	{
		printf("%d -> ", ptail->data);
		ptail = ptail->next;
	}
	printf("\n");
}
//头插
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = phead->next;

	//修改前后节点的指针指向
	phead->next->prev = newnode;
	phead->next = newnode;
}
//尾插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->prev = phead->prev;
	newnode->next = phead;

	//修改前后节点指针指向
	phead->prev->next = newnode;
	phead->prev = newnode;
}
//头删
void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead && phead != phead->next); //链表为空的话就不能进行删除
	LTNode* del = phead->next;  
	phead->next->next->prev = phead;
	phead->next = phead->next->next;
	free(del);
	del = NULL;
}
//尾删
void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead && phead->next != phead); //链表为空不能进行删除
	LTNode* del = phead->prev;
	del->prev->next = phead;
	phead->prev = del->prev;
	free(del);
	del = NULL;
}
//查找
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType find)
{
	assert(phead);
	LTNode* ptail = phead->next;
	while (ptail != phead) //遍历链表
	{
		if (ptail->data == find) {
			return ptail;
		}
		ptail = ptail->next;
	}
	return NULL;
}
//在pos节点之前插入数据
void LTPush(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = pos->prev;

	//修改pos前后节点指针的指向
	pos->prev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
}
//在pos节点之后插入数据
void LTPushAfter(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);
	LTNode* newnode = LTBuyNode(x);
	newnode->next = pos->next;
	newnode->prev = pos;

	//修改pos前后节点指针的指向
	pos->next->prev = newnode;
	pos->next = newnode;
}

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