C 语言动态链表

news2024/9/21 16:49:48

线性结构->顺序存储->动态链表

一、理论部分

从起源中理解事物，就是从本质上理解事物。 -杜勒鲁奇

动态链表是通过结点（Node）的集合来非连续地存储数据，结点之间通过指针相互连接。

动态链表本身就是一种动态分配内存的数据结构。每个结点都包含数据部分和指向下一个节点的指针。这种结构允许在运行时动态地添加、删除或修改结点，而不需要像数组那样担心容量问题。

1.1、画图的重要性

直观理解数据结构：画图可以帮助我们直观地理解链表的结构，包括每个节点的位置、存储的数据以及节点之间的连接关系。这种直观的理解有助于我们更好地编写、调试和维护链表相关的代码。

辅助算法设计：在设计链表操作的算法时，如插入、删除、查找等，画图可以帮助我们清晰地展示算法的执行步骤和过程。通过画图，我们可以模拟算法的执行，预测结果，并发现潜在的错误或问题。这种可视化的方法对于复杂算法的设计和实现尤为重要。

提高调试效率：在链表操作中，很容易出现指针错误，如野指针、空指针解引用、内存泄漏等。通过画图，我们可以跟踪链表的状态变化，检查指针的指向是否正确，从而快速定位和解决这些问题。此外，画图还可以帮助我们理解程序的执行流程，找出逻辑上的错误或不合理之处。

促进团队合作与交流：在团队开发项目中，链表等数据结构的使用和操作往往是必不可少的。通过画图，我们可以将链表的结构和算法的执行过程清晰地展示给团队成员，促进彼此之间的理解和交流。这种可视化的沟通方式有助于提高团队的工作效率，减少误解和错误。

辅助教学与学习：对于初学者来说，链表等复杂数据结构可能难以理解和掌握。通过画图的方式，教师可以更加直观地讲解链表的结构和操作方法，帮助学生建立正确的认知模型。而学生也可以通过画图来巩固所学知识，加深对链表等数据结构的理解。

二、画图+代码分析

需求：动态链表实现对整型数据的增删改查。

创建头文件，定义如下：

typedef int data_type;

struct node{
    data_type data;
    struct node *next;
};

typedef struct node listnode;

typedef enum{
    OK = 0,
    HEAD_NULL,
    LIST_MEMORY_ERROR,
    LIST_EMPTY,
    NO_SUCH_ELEMENT,

}ERRORNUM;

2.1、创建头结点

如图所示：创建头结点

步骤：
①：在堆上申请struct node大小的一片地址空间；
②：将数据域清零，下一个节点指针域指向NULL；
③：返回头结点。

listnode *create_head(void)
{
    listnode *pnode = (listnode *)malloc(sizeof(listnode));
    if(pnode == NULL){
        perror("create_head_fail");
        return NULL;
    }

    pnode->data = 0;
    pnode->next = NULL;

    return pnode;
}

2.2、插入结点

插入方式：头插

①：先创建一个结点指针变量，malloc申请空间；
②：将头结点后的结点（有效结点）赋值给当前要插入的结点的next域，目的在于保护尾部结点
        代码：pnew->next = head->next；
③：将当前插入的新节点赋值给head->next域    代码：head->next = pnew；
④：将插入的数据通过形参传值的方式，赋值给pnew->data域。

int insert_head(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL){
        return HEAD_NULL;
    }

    listnode *pnew = (listnode *)malloc(sizeof(listnode));
    if(pnew == NULL){
        return LIST_MEMORY_ERROR;
    }

    pnew->next = head->next;
    head->next = pnew;
    pnew->data = data;

    return OK;
}

2.3、遍历打印结点元素

①：将头结点通过形参传进来；

②：入参检测：<1.>判断头结点是否为空；<2.>判断头结点后的首节点是否为空（因为其存的是有效数据）。如果只有头结点，没有有效数据节点，则遍历无意义；

③：定义listnode结构体指针变量current，将头结点后的首结点赋值给它。因为：

        1、简化遍历过程：使用current指针可以在遍历链表时不必每次都从头节点开始。通过移动current指针，可以逐个访问链表中的每个节点，直到到达链表的末尾（即current为NULL）。

        2、保持链表结构的完整性：直接操作头指针（如head）来遍历链表可能会不小心改变链表的头部，尤其是在某些复杂的操作中（如删除头节点）。使用current这样的临时指针可以避免这种风险，因为它只是指向链表中的一个节点，而不是链表的头部。

        3、提高代码的可读性和可维护性：使用明确的变量名（current）来表示当前正在处理的节点，可以使代码更加清晰易懂。这对于维护代码和与他人协作非常有帮助。

④：循环打印结点元素。

int list_show(listnode *head)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }

    listnode *current = head->next;

    // 注意，遍历链表时，判断条件式永远是当前的结点
    // 不是当前结点的下一个结点，否则在打印时会丢失最后一个结点
    while(current != NULL){ 
        printf("%d ", current->data);
        current = current->next;
    }
    putchar(10);

    return OK;
}

2.4、删除结点

①：入参检测：<1.>判断头结点是否为空；<2.>判断头结点后的首节点是否为空（因为其存的是有效数据）；

②：定义listnode结构体指针变量pnode，将头结点赋值给它。因为：保持链表结构的完整性：直接操作头指针（如head）来遍历链表可能会不小心改变链表的头部；

③：定义listnode结构体指针变量temp。因为：

        1、保护链表结构：要删除链表中的一个节点时，需要先找到该节点的前一个节点（假设不是删除头节点）。然后，需要将前一个节点的next指针绕过被删除的节点，直接指向被删除节点的下一个节点。如果直接操作被删除节点的next指针来修改链表，那么可能会丢失对被删除节点下一个节点的引用，从而可能导致内存泄漏或无法访问链表的剩余部分。

        2、安全地释放内存：在C语言中，动态分配的内存（如使用malloc或calloc等函数分配的内存）在使用完毕后应该被释放，以避免内存泄漏。通过定义一个temp指针来指向被删除的节点，可以在被删除节点从链表中移除之前安全地获取其地址，并使用free函数释放该节点的内存。

        3、避免复杂的条件语句：在某些情况下，特别是在处理头节点或尾节点删除时，直接修改链表可能会引入复杂的条件语句来区分不同的情况。通过使用temp指针，可以编写更清晰、更易于维护的代码来处理这些情况。

int list_delete(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL || head->next ==NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }

    listnode *phead = head;
    listnode *temp;
    while(phead != NULL){
        if(phead->next->data == data){
            temp = phead->next;
            phead->next = phead->next->next;
            free(temp);
            return OK;
        }
        phead = phead->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

2.5、修改节点元素

①：入参检测：
        <1.>判断头结点是否为空；
        <2.>判断头结点后的首节点是否为空（因为其存的是有效数据）。
如果只有头结点，没有有效数据节点，则修改无意义；
②：定义listnode结构体指针变量current，将头结点后的首结点赋值给它。原因这里不再赘述；
③遍历，将旧值赋值给新值。

int list_modify(listnode *head, data_type old_data, data_type new_data)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }
    
    listnode *current = head->next;
    while(current != NULL){
        if(current->data == old_data){
            current->data = new_data;
            return OK;
        }
        current = current->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

2.6、查询结点元素

①：入参检测：
        <1.>判断头结点是否为空；
        <2.>判断头结点后的首节点是否为空（因为其存的是有效数据）。
如果只有头结点，没有有效数据节点，则修改无意义。
②：定义listnode结构体指针变量current，将头结点后的首结点赋值给它。
原因这里不再赘述。
③遍历，将找到的结点值打印

int list_search(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }
    int count = 0;
    listnode *current = head->next;
    while(current != NULL){
        if(current->data == data){
            printf("The element->%d is located at the %d node\n", data, count+1);
            return OK;
        }
        count++;
        current = current->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

三、源码

3.1、目录结构

主目录Makefile

ALL:
	make -C ./src/
	make -C ./obj/

.PHONY: clean
clean:
	rm obj/*.o
	rm bin/*

3.2、include目录

test.h

#ifndef _TEST_H_
#define _TEST_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>


typedef int data_type;

struct node{
    data_type data;
    struct node *next;
};

typedef struct node listnode;

typedef enum{
    OK = 0,
    HEAD_NULL,
    LIST_MEMORY_ERROR,
    LIST_EMPTY,
    NO_SUCH_ELEMENT,

}ERRORNUM;

listnode *create_head(void);

int insert_head(listnode *head, data_type data);

int list_show(listnode *head);

int list_delete(listnode *head, data_type data);

int list_modify(listnode *head, data_type old_data, data_type new_data);

int list_search(listnode *head, data_type data);

#endif

3.3、obj目录

Makefile

ALL:
	gcc *.o -o ../bin/app

3.4、src目录

crud.c

#include "../include/test.h"

listnode *create_head(void)
{
    listnode *pnode = (listnode *)malloc(sizeof(listnode));
    if(pnode == NULL){
        perror("create_head_fail");
        return NULL;
    }

    pnode->data = 0;
    pnode->next = NULL;

    return pnode;
}


int insert_head(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL){
        return HEAD_NULL;
    }

    listnode *pnew = (listnode *)malloc(sizeof(listnode));
    if(pnew == NULL){
        return LIST_MEMORY_ERROR;
    }

    pnew->next = head->next;
    head->next = pnew;
    pnew->data = data;

    return OK;
}



int list_show(listnode *head)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }

    listnode *current = head->next;

    // 注意，遍历链表时，判断条件式永远是当前的结点
    // 不是当前结点的下一个结点，否则在打印时会丢失最后一个结点
    while(current != NULL){ 
        printf("%d ", current->data);
        current = current->next;
    }
    putchar(10);

    return OK;
}

int list_delete(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL || head->next ==NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }

    listnode *phead = head;
    listnode *temp;
    while(phead != NULL){
        if(phead->next->data == data){
            temp = phead->next;
            phead->next = phead->next->next;
            free(temp);
            return OK;
        }
        phead = phead->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

int list_modify(listnode *head, data_type old_data, data_type new_data)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }
    
    listnode *current = head->next;
    while(current != NULL){
        if(current->data == old_data){
            current->data = new_data;
            return OK;
        }
        current = current->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

int list_search(listnode *head, data_type data)
{
    if(head == NULL || head->next == NULL){
        return LIST_EMPTY;
    }
    int count = 0;
    listnode *current = head->next;
    while(current != NULL){
        if(current->data == data){
            printf("The element->%d is located at the %d node\n", data, count+1);
            return OK;
        }
        count++;
        current = current->next;
    }

    return NO_SUCH_ELEMENT;
}

main.c

#include "../include/test.h"

int main()
{
    int ret = 0;
    listnode *head = NULL;
    head = create_head();
    if(head == NULL){
        return -1;
    }

    head = create_head();

    ret = insert_head(head, 15);
    ret = insert_head(head, 10);
    ret = insert_head(head, 5);

    ret = list_show(head);


    //ret = list_delete(head, 5);
    //et = list_show(head);

    //ret = list_modify(head, 30, 8);
    //ret = list_show(head);

    ret = list_search(head, 20);

    switch(ret){
    /* 通常不需要打印"成功"信息，但可以根据需要添加
    case SHOW_OK:
        printf("SHOW_OK\n");
    break;
    */
    case HEAD_NULL:
        printf("HEAD_NULL\n");
    break;

    case LIST_MEMORY_ERROR:
        printf("LIST_MEMORY_ERROR\n");
    break;

    case LIST_EMPTY:
        printf("LIST_EMPTY\n");
    break;

    case NO_SUCH_ELEMENT:
        printf("NO_SUCH_ELEMENT\n");
    break;

    }

    return 0;
}

Makefile

ALL:../obj/main.o ../obj/crud.o
../obj/main.o:main.c
	gcc -c $< -o $@
../obj/crud.o:crud.c
	gcc -c $< -o $@

四、ReadMe

比较简单的顺序存储，动态链表
    返回值是通过枚举实现，删改查的函数在main函数里有个小bug，比如删除的元素不存在，错误信息会正常返回，但要是调用显示函数的话，会把错误码覆盖掉，
这就导致看不到错误原因。改查同样如此，如果此程序改为与用于交互的话，这个bug可以很好解决掉。
    程序当中有很多变量名需要优化，不是很见名知意。

五、源码下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1ifx7ZCO7mt_HTQ76TUS33w 
提取码：ckr8

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