数据结构-链表-第二天

结合leetcode学习c++
链表比数组更易增加和删除数据，但访问速度更慢

定义

链表（linked list）是一种线性数据结构，其中的每个元素都是一个节点对象，各个节点通过“引用”相连接。
引用记录了下一个节点的内存地址，通过它可以从当前节点访问到下一个节点。

在这里插入图片描述

1 单向链表通常用于实现栈、队列、哈希表和图等数据结构。

栈与队列：当插入和删除操作都在链表的一端进行时，它表现的特性为先进后出，对应栈；当插入操作在链表的一端进行，删除操作在链表的另一端进行，它表现的特性为先进先出，对应队列。
哈希表：链式地址是解决哈希冲突的主流方案之一，在该方案中，所有冲突的元素都会被放到一个链表中。
图：邻接表是表示图的一种常用方式，其中图的每个顶点都与一个链表相关联，链表中的每个元素都代表与该顶点相连的其他顶点。

2 双向链表常用于需要快速查找前一个和后一个元素的场景。

高级数据结构：比如在红黑树、B 树中，我们需要访问节点的父节点，这可以通过在节点中保存一个指向父节点的引用来实现，类似于双向链表。
浏览器历史：在网页浏览器中，当用户点击前进或后退按钮时，浏览器需要知道用户访问过的前一个和后一个网页。双向链表的特性使得这种操作变得简单。
LRU 算法：在缓存淘汰（LRU）算法中，我们需要快速找到最近最少使用的数据，以及支持快速添加和删除节点。这时候使用双向链表就非常合适。

3 环形链表常用于需要周期性操作的场景，比如操作系统的资源调度。

时间片轮转调度算法：在操作系统中，时间片轮转调度算法是一种常见的 CPU 调度算法，它需要对一组进程进行循环。每个进程被赋予一个时间片，当时间片用完时，CPU 将切换到下一个进程。这种循环操作可以通过环形链表来实现。
数据缓冲区：在某些数据缓冲区的实现中，也可能会使用环形链表。比如在音频、视频播放器中，数据流可能会被分成多个缓冲块并放入一个环形链表，以便实现无缝播放。

1 c++中的单链表

在 C++ 中，单链表通常是由一系列节点组成的，每个节点包含两个部分：数据部分 (val) 和指向下一个节点的指针 (next)。

单链表结构体定义

struct SinglyListNode {
    int val;       // 数据域，存储节点的值
    SinglyListNode *next; // 指针域，指向下一个节点
    SinglyListNode(int x) : val(x), next(NULL) {} // 构造函数，初始化节点
};

成员变量

val: 用于存储节点的值。在这个例子中，val 是一个 int 类型的变量，但也可以是其他类型。
next: 用于存储指向链表中下一个节点的指针。初始化为 NULL 表示这是一个新创建的节点，还没有被链接到链表中。

构造函数

SinglyListNode(int x): 这是一个构造函数，用于创建新的 SinglyListNode 实例。构造函数接收一个整数参数 x 并将其赋值给 val，同时将 next 指针初始化为 NULL。

构造函数的初始化列表

构造函数使用了初始化列表的形式来初始化成员变量：

SinglyListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}

这里，val(x) 和 next(NULL) 分别初始化 val 和 next 成员变量。具体来说：

val(x): 将构造函数传入的参数 x 赋值给成员变量 val。
next(NULL): 将成员变量 next 初始化为 NULL，表示这个新创建的节点目前还没有指向下一个节点。

使用示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 SinglyListNode 结构体创建并操作单向链表：

#include <iostream>
using namespace std;

// Definition for singly-linked list.
struct SinglyListNode {
    int val;
    SinglyListNode *next;
    SinglyListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
};

int main() {
    // 创建链表
    SinglyListNode *head = new SinglyListNode(1); // 创建第一个节点
    head->next = new SinglyListNode(2);           // 创建第二个节点并连接
    head->next->next = new SinglyListNode(3);     // 创建第三个节点并连接

    // 打印链表中的值
    SinglyListNode *current = head;
    while (current != NULL) {
        cout << current->val << " ";
        current = current->next;
    }

    // 释放内存
    while (head != NULL) {
        SinglyListNode *temp = head;
        head = head->next;
        delete temp;
    }

    return 0;
}

输出

1 2 3

创建多个节点并连接

/* 初始化链表 1 -> 3 -> 2 -> 5 -> 4 */
// 初始化各个节点
ListNode* n0 = new ListNode(1);
ListNode* n1 = new ListNode(3);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(5);
ListNode* n4 = new ListNode(4);
// 构建节点之间的引用
n0->next = n1;
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;

总结

单链表的定义和构造函数的设计是为了方便创建和操作链表。通过这样的设计，你可以轻松地在链表中插入、删除和查找节点，同时也能够有效地管理内存，避免内存泄漏等问题。

2 双链表

/* 双向链表节点结构体 */
struct ListNode {
    int val;         // 节点值
    ListNode *next;  // 指向后继节点的指针
    ListNode *prev;  // 指向前驱节点的指针
    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr), prev(nullptr) {}  // 构造函数
};

3 环形链表

环形链表（Circular Linked List）是一种特殊类型的链表，其中最后一个节点的指针不是指向 NULL，而是指向链表的头节点，形成一个闭环。这种结构使得遍历链表时可以从任何一个节点开始，并且在到达末尾节点后可以无缝地回到头节点。

环形链表（Circular Linked List）是一种特殊类型的链表，其中最后一个节点的指针不是指向 NULL，而是指向链表的头节点，形成一个闭环。这种结构使得遍历链表时可以从任何一个节点开始，并且在到达末尾节点后可以无缝地回到头节点。

环形链表的基本概念

节点: 环形链表中的每个节点包含数据和一个指向下一个节点的指针。
头节点 (Head): 链表的第一个节点，通常用来标识整个链表的开始。
尾节点 (Tail): 链表的最后一个节点，其指针指向头节点。

环形链表的类型

环形链表可以根据节点间的连接方式分为不同的类型：

单向环形链表 (Singly Circular Linked List): 每个节点只包含一个指向下一个节点的指针。
双向环形链表 (Doubly Circular Linked List): 每个节点包含两个指针，一个指向前一个节点，另一个指向后一个节点。

环形链表的操作

环形链表支持多种操作，包括但不限于：

插入节点:
- 头部插入: 在链表的头部添加一个新节点。
- 尾部插入: 在链表的尾部添加一个新节点。
- 中间插入: 在指定位置插入一个新节点。
删除节点:
- 删除头部节点.
- 删除尾部节点.
- 删除中间节点.
查找节点: 根据给定的值或索引查找对应的节点。
遍历链表: 由于链表形成闭环，可以方便地从任意节点开始遍历整个链表。

环形链表的优点

方便的遍历: 无需担心遍历到最后一个节点时如何返回头节点的问题。
节省空间: 对于单向环形链表，不需要额外的空间来存储尾节点的指针，因为最后一个节点直接指向头节点。

环形链表的缺点

检测环形: 对于外部用户来说，需要额外的逻辑来确定链表是否已经遍历完整个环。
额外的复杂性: 与普通链表相比，环形链表的插入和删除操作可能需要更多的指针更新。

示例代码

下面是一个使用 C++ 实现单向环形链表的简单示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义节点结构
struct Node {
    int data;
    Node *next;

    Node(int x) : data(x), next(NULL) {}
};

// 定义环形链表类
class CircularLinkedList {
public:
    Node *head;

    CircularLinkedList() : head(NULL) {}

    void append(int data) {
        Node *newNode = new Node(data);

        if (!head) {
            head = newNode;
            head->next = head;
        } else {
            Node *temp = head;
            while (temp->next != head) {
                temp = temp->next;
            }
            temp->next = newNode;
            newNode->next = head;
        }
    }

    void prepend(int data) {
        Node *newNode = new Node(data);
        if (!head) {
            head = newNode;
            head->next = head;
        } else {
            Node *temp = head;
            while (temp->next != head) {
                temp = temp->next;
            }
            newNode->next = head;
            head = newNode;
            temp->next = head;
        }
    }

    void deleteNode(int key) {
        if (!head) {
            return;
        }

        Node *prev = NULL;
        Node *cur = head;

        do {
            if (cur->data == key) {
                if (cur == head) {
                    Node *temp = head;
                    while (temp->next != head) {
                        temp = temp->next;
                    }
                    head = cur->next;
                    temp->next = head;
                } else {
                    prev->next = cur->next;
                }
                delete cur;
                return;
            }
            prev = cur;
            cur = cur->next;
        } while (cur != head);
    }

    void printList() {
        if (!head) {
            cout << "Empty List" << endl;
            return;
        }
        Node *temp = head;
        do {
            cout << temp->data << " ";
            temp = temp->next;
        } while (temp != head);
        cout << endl;
    }
};

int main() {
    CircularLinkedList cll;
    cll.append(1);
    cll.append(2);
    cll.prepend(0);
    cll.deleteNode(1);
    cll.printList();

    return 0;
}