数据结构——单向链表

目录

前言

一、单向链表

二、单向链表基本操作

1、链表单创建

2.节点插入

（1）尾部插入

（2）任意位置插入

3、单向链表节点删除

4、链表打印

5、释放链表

6、链表逆序

......

三、链表测试

总结

前言

链表（Linked List）是一种常见的数据结构，它属于线性表的一种链式存储结构，其逻辑上相邻的元素在物理存储位置并不相邻。它由一系列节点（Node）组成，每个节点包含数据部分和指向列表中下一个节点（或者上一个节点）的指针（链接）。链表中的节点通过指针相互连接，从而形成一个序列。链表可以分为几种不同的类型，但最常见的是单向链表和双向链表。

一、单向链表

在单向链表中，每个节点包含两个部分：

1、数据部分：存储节点的数据，数据类型可以是整型、浮点型、字符型或自定义的数据结构（如结构体）等。

2、指针部分（也称为链接或“next”指针）：指向链表中下一个节点的指针。链表的最后一个节点的指针部分通常设置为NULL，表示链表的结束。

链表就如同一群人手拉着手站在一起，最开始的一个人要拉着一根杆，防止链子丢失了。每个人都带着属于自己的数据（如姓名、性别、年龄等），但他们都手拉着手，随意找到上一个人，便可以自然而然的知到下一个人，他们的手就是next指针。

链表特性：

1、动态数据结构：链表的节点可以动态地分配和释放，因此链表是一种动态数据结构。链表的大小可以在运行时动态地增加或减少，不需要像数组那样在创建时指定大小。

2、非连续存储：链表中的节点可以存储在内存中的任何位置，不像数组那样要求所有元素连续存储。但每个节点都需要额外的内存来存储指针，这增加了链表的内存开销。

3、灵活：通过指针，可以很容易地在链表中的任何位置插入或删除节点，而不需要移动其他节点，通常只需要修改节点的指针，因此效率较高，尤其是在链表中间或末尾进行这些操作时。。

4、访问方式：单链表不支持快速随机访问，因为从链表的头节点到任意节点的访问都需要从头开始遍历。

5、常见运用：在实际应用中，链表常用于实现栈、队列等数据结构，或者在需要频繁插入和删除操作而不太需要随机访问的场景中。

二、单向链表基本操作

1、链表单创建

首先声明链表节点。

typedef int data_t;

typedef struct node {
	data_t data;
	struct node * next;
}listnode, * linklist;

然后进行链表创建，一般只需要创建一个头节点即可，因为在刚创建时，没有数据要放在链表上，即没有新节点插入。

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

linklist list_create() //创建链表，即头节点
{
	linklist H;
	H = (linklist)malloc(sizeof(listnode));//给节点动态分配内存
	if (H == NULL)//判断是否申请内存成功 
	{
		printf("malloc failed\n");
		return H;
	}	
	//如果成功了，则进行赋初值
	H->data = 0; //一般存放节点个数
	H->next = NULL;//刚开始时没有节点插入链表，所以该头节点即是尾节点
	return H; //返回头节点指针
}

int main(void)
{
	linklist H;	
	H = list_create();//外部调用函数进行创建
	if (H == NULL)
		return -1;
	return 0;
}

2.节点插入

（1）尾部插入

将链表创建完成后，就可以向链表插入数据了，其中最简单的插入方式为，尾部插入。基本步骤为：

1、创建新的节点，用以存放将插入的数据；

2、找到当前链表的尾部，即next指针指向NULL的节点；

3、将新创建的节点放在尾部，原来尾部节点的next指针指向自己，自己的next指针指向NULL即可。

int list_tailinsert(linklist H, data_t data) //传入待插入的链表地址和待插入的数据
{
	linklist p;//定义临时指针变量
	linklist q;
	if (H == NULL) //检验传入的链表是否有效
	{
		printf("H is NULL\n");
		return -1;
	}
	//创建新节点并检查有效性，存放待插入数据
	if ((p = (linklist)malloc(sizeof(listnode))) == NULL)
	{
		printf("malloc failed\n");
		return -1;
	}
	p->data = data;
	p->next = NULL;

	q = H;
	while (q->next != NULL) //遍历链表找尾部
	{
		q = q->next;
	}

	q->next = p;//插入链表，尾部的next指针指向新节点
	H->data++;//插入数据后，数据个数加一 
	return 0;
}

（2）任意位置插入

在这里，我们用-1表示链表的头节点位置，存放数据的第一个节点用0表示，后面的位置依次即可，可以自定义。其插入基本步骤：

1、对插入位置的有效性进行判断；

2、查找待插入位置的前一个节点，如下查找某一位置的节点的操作；

//寻找链表上某一位置的节点的地址，返回该节点地址
linklist list_getpos(linklist H, int pos) //传入链表指针和待寻找节点的位置
{
	linklist p;
	int i;
	if (H == NULL) 
	{
		printf("H is NULL\n");
		return NULL;
	}
	if (pos == -1) return H;//如果是-1，则返回链表头节点，因为用0表示第一个节点的位置
	p = H;
	i = -1;
	while (i < pos) //遍历寻找
	{
		p = p->next;
		if (p == NULL) //没有到达指定位置，链表已经结尾了，位置错误，返回NULL
		{
			printf("pos is invalid\n");
			return NULL;
		}
		i++;
	}
	return p;
}

3、创建新节点，存放待插入数据；

4、重新连接节点，即插入新节点，先将上一个节点的next指针内容赋给新节点的next指针，再将新节点的地址赋给上一个节点的next指针（切勿将顺序搞反）。

//任意位置插入，传入链表地址，待插入数据，待插入位置
int list_insert(linklist H, data_t data, int pos) 
{
	linklist p;
	linklist new;
	if (H == NULL) 
	{
		printf("H is NULL\n");
		return -1;
	}
	p = list_getpos(H, pos-1);//找到待插入位置的上一个节点P
	if (p == NULL) return -1;//没有找到则返回

	if ((new = (linklist)malloc(sizeof(listnode))) == NULL)//创建待插入的新节点
	{
		printf("malloc failed\n");
		return -1;
	}
	new->data = data;//存放数据
	new->next = NULL;
//插入链表，注意先后次序，以免节点丢失
	new->next = p->next;
	p->next = new;
    H->data++;//插入数据后，数据个数加一 
	return 0;
}

3、单向链表节点删除

删除节点也可以像插入一样，可进行尾部删除和任意位置删除的操作，尾部删除可对照插入进行，不再赘述。下面进行任意位置节点的删除操作，其基本步骤为：

1、查找待删除节点的上一个节点；

2、将待删除的next指针赋给上一个节点的next指针，这样便可以从链表上去掉待删除节点；

3、然后将删除的节点释放掉内存即可。

int list_delete(linklist H, int pos) 
{
	linklist p;
	linklist deletenode;
	if (H == NULL) return -1;
	
	p = list_getpos(H, pos-1);//寻找待删除节点的上一个节点
	if (p == NULL) return -1;//没有找到则返回
	if (p->next == NULL) //如果要删除的节点不存在，则返回
	{
		printf("delete pos is invalid\n");
		return -1;
	}
	
	deletenode = p->next;//找到要删除的节点
	//将待删除的next指针赋给上一个节点的next指针
	p->next = deletenode->next;//也可以用p->next = p->next->next;
	//printf("free:%d\n", deletenode->data);
	//释放删除节点的内存
	free(deletenode);
	deletenode = NULL;

	H->data--;//删除节点后，数据个数减一 
	return 0;
}

4、链表打印

我们需要查看链表时，就需要遍历打印出来，如下操作。

int list_show(linklist H) //链表打印显示
{
	linklist p;
	if (H == NULL)
	{
		printf("H is NULL\n");
		return -1;
	}
	p = H;
	while (p->next != NULL)//遍历打印
	{
		printf("%d ", p->next->data);
		p = p->next;
	}
	puts("");
	return 0;
}

5、释放链表

当链表使用完成之后，需要释放其占用的内存。

int list_free(linklist H) 
{
	linklist p;
	if (H == NULL) return 0;//没有头节点（即链表），则不用释放
	
	p = H;
	//printf("free:");
	//头节点依次往后移动，然后将前面的删掉
	while (H != NULL) 
	{
		p = H;
		//printf("%d ", p->data);
		free(p);
		H = H->next;
	}
	puts("");
	return 0;
}

6、链表逆序

链表反序主要有以下步骤：

1、对当前链表的节点数进行判断（头节点不算），如果没有节点或者只有一个节点，则不需要逆序；

2、将待逆序的链表的第二个及以后的部分分离，这样，待逆序链表只有头节点和第一个节点了，然后依次取出分离部分的头节点在待逆序链表的头部进行插入，便实现了逆序操作。

int list_reverse(linklist H) 
{
	linklist p;
	linklist q;
	if (H == NULL) 
	{
		printf("H is NULL\n");
		return -1;
	}
	//如果是空链表，或者是只有一个节点，则没有逆序的必要，返回
	if (H->next == NULL || H->next->next == NULL) return 0;
	
	//开始时将链表分为两段
	p = H->next->next;//p第二个节点及之后的节点
	H->next->next = NULL;//H只有第一个节点

	while (p != NULL) 
	{
		q = p;
		p = p->next;//p继续往后移
		
		q->next = H->next;//在H链表的头部进行插入
		H->next = q;
	}
	return 0;
}

......

三、链表测试

通过以上链表的基本操作，已基本可以使用链表了，如下简单测试：

int main(void)
{
	linklist H;
	int value;
	H = list_create();//创建链表
	if (H == NULL)
		return -1;

	printf("input:");
	while (1) 
	{
		scanf("%d", &value);//输入要插入的值
		if (value  < 0)//输入负数退出尾部插入的操作
			break;
		list_tailinsert(H, value);//在链表尾部进行插入
		printf("input:");
	}
	list_show(H);//打印显示当前链表内容

	list_insert(H, 100, 1);//在1位置处插入数据为100的节点，位置从0开始算
    list_show(H);

    list_delete(H, 2);//删除位置2所在的节点
    list_show(H);

	printf("H=%p\n", H);//打印链表头节点地址
	H = list_free(H);//释放链表
	printf("H=%p\n", H);

	return 0;
}