数据结构-线性表顺序单项链表双向链表循环链表

1数据结构概述

数据结构是计算机组织、存储数据的方式。是思想层面的东西，和具体的计算机编程语言没有关系。可以用任何计算机编程语言去实现这些思想。

1.1 数据逻辑结构

反映数据逻辑之间的逻辑关系，这些逻辑关系和他们咱在计算机中的存储位置无关。

常用的逻辑结构有：

线性结构：数据元素存在一对一的互相关系；

树形结构：数据元素存在一对多的互相关系；

图形结构：数据元素存在多对多的互相关系。

1.2数据存储结构（物理结构）

数据元素在计算机存储空间中的存放形式称为数据存储结构，或者物理结构。

一般来说，一种数据的逻辑结构开业有多种存储结构，常见的存储结构：顺序存储和链式存储。

2.线性表

2.1基本概念

线性表是由零个或多个数据元素组成的有序序列。

特征：

数据元素之间是有顺序的；

数据元素个数是由限的；

一般情况下，在强类型语言中，数据元素的类型是相同的。

2.2数学定义

线性表是n个元素组成的有限序列，a1,a2,a3....an，其中ai(1<=i<=n)是表项，n是线性表的长度，

其中，a1为线性表的第一个元素，只有后继元素，没有前驱元素，an为线性表的最后一个元素，只有前驱元素，没有后继元素。除了a1和an之外的其他元素，既有前驱元素，，也有后继元素。

2.3线性表的顺序存储结构

线性表的顺序存储结构，指的是用一段连续的存储空间来存储线性表中的数据元素。

//dynamicArray.h

#pragma once //防止头文件被重复包含

class DynamicArray
{
private:
	int* data;//线性表的数据元素的存储的空间
	int size;//线性表的大小
	int capacity;//线性表的容量
public:
	DynamicArray();
	DynamicArray(int capacity);
	~DynamicArray();

	//添加元素
	void pushBack(int value);//尾部添加
	void insertByIndex(int index, int value);//在表中指定位置前面插入元素位置

	//查询相关操作
	int getCapacity();//返回动态数组的容量
	int getSize();//返回动态数组的大小
	int getValueByIndex(int index);//返回指定位置的元素
	int front();//返回动态数组的第一个元素
	int back();//返回动态数组的最后一个元素

	//删除元素
	void popBack();//删除尾部
	void delByIndex(int index);//删除指定位置的元素
	

	//打印动态数组
	void printDynamicArray();
};

//dynamicArray.c

#include "dynamicArray.h"
#include <iostream>
using  namespace std;

DynamicArray::DynamicArray()
{
	capacity = 5;
	data = new int[capacity];
	size = 0;
}
DynamicArray::DynamicArray(int capacity)
{
	this->capacity = capacity;
	data = new int[capacity];
	size = 0;
}
DynamicArray::~DynamicArray()
{
	if (data != nullptr)
	{
		delete[] data;
		data = nullptr;
	}
}
void DynamicArray::pushBack(int value)
{
	if (capacity == size)
	{
		//容量已满，需要扩容，容量扩充一倍
		int* temp_data = new int[capacity * 2];
		//复制原来空间中的数据到新的空间
		for (int i = 0; i < size; i++)
		{
			temp_data[i] = data[i];
		}
		delete[]data;
		data = temp_data;
		capacity = capacity * 2;
	}
	data[size] = value;
	size++;
}
void DynamicArray::insertByIndex(int index,int value)
{
	if (index<0 || index>size - 1)
	{
		return;
	}
	if (capacity == size)
	{
		//容量已满，需要扩容，容量扩充一倍
		int* temp_data = new int[capacity * 2];
		for (int i = 0; i < size; i++)
		{
			temp_data[i] = data[i];
		}
		delete[]data;
		data = temp_data;
		capacity *= 2;
	}
	//新元素插在索引index的前面，所以从index开始的元素都要后移
	for (int i = size-1; i >=index; i--)
	{
			data[i + 1] = data[i];
	}
	data[index] = value;

	size++;
}
void DynamicArray::printDynamicArray()
{
	for (int i = 0; i < size; i++)
	{
		cout << data[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}
int  DynamicArray::getCapacity()
{
	return capacity;
}
int DynamicArray::getSize()
{
	return size;
}
int  DynamicArray::getValueByIndex(int index)
{
	if (index<0 || index>size - 1)
	{
		return NULL;
	}
	return data[index];
}
int DynamicArray::front()
{
	if(size>0)
	{
		return data[0];
	}
	return NULL;
}
int DynamicArray::back()
{
	if (size > 0)
	{
		return data[size - 1];
	}
	return NULL;
}
void DynamicArray::popBack()
{
	if (size > 0)
	{
		size--;
	}
	
}
void DynamicArray::delByIndex(int index)
{
	if (index < 0 || index>size - 1)
	{
		return;
	}
	for (int i = index; i < size-1; i++)
	{
		data[i]=data[i+1];
	}

	size--;
}

void test_dynamicarry()
{
	DynamicArray* da = new DynamicArray();
	da->pushBack(11);
	da->pushBack(12);
	da->pushBack(13);
	da->pushBack(14);
	da->pushBack(15);

	da->printDynamicArray();
	da->insertByIndex(2,88);
	da->printDynamicArray();
	da->popBack();
	da->printDynamicArray();
	da->delByIndex(2);
	da->printDynamicArray();
	cout << "此动态数组的容量为：" << da->getCapacity() << endl;
	cout << "此动态数组的大小为：" << da->getSize() << endl;
	cout << "此动态数组的第三个元素为：" << da->getValueByIndex(2) << endl;
	cout << "此动态数组中第一个元素为：" << da->front() << endl;
	cout << "此动态数组中最后一个元素为：" << da->back() << endl;
	
	delete da;
}
//设计一个线性表的顺序存储结构，给线性表中插入8个整数，删除其中的奇数。
void test_homework()
{
	DynamicArray* hk = new DynamicArray();
	hk->pushBack(1);
	hk->pushBack(2);
	hk->pushBack(3);
	hk->pushBack(4);
	hk->pushBack(5);
	hk->pushBack(6);
	hk->pushBack(8);
	hk->pushBack(8);
	hk->getSize();
	hk->printDynamicArray();
	int len = hk->getSize();
	for (int i = 0; i < len ;)
	{
		if(hk->getValueByIndex(i) % 2 == 1)
		{
			hk->delByIndex(i);
			
		}
    else
        {
            i++;
        }
	}
	hk->printDynamicArray();
}

2.4线性表之单向链式存储结构

单链表是一种链式存取的数据结构，用一组地址任意的存储单元存放线性表中的数据元素。链表中的数据是以结点来表示的，每个结点的构成：元素(数据元素的映象) +指针(指示后继元素存储位置)，元素就是存储数据的存储单元，指针就是连接每个结点的地址数据。

结点结构：

┌───┬───┐

│data │next │

└───┴───┘

data域--存放结点值的数据域

next域--存放结点的直接后继的地址（位置）的指针域（链域）

链表通过每个结点的链域将线性表的n个结点按其逻辑顺序链接在一起的，每个结点只有一个链域的链表称为单链表（Single Linked List）。

头指针head和终端结点

单链表中每个结点的存储地址是存放在其前趋结点next域中，而开始结点无前趋，故应设头指针head指向开始结点。链表由头指针唯一确定，单链表可以用头指针的名字来命名。

终端结点无后继，故终端结点的指针域为空，即NULL。

链表中最简单的一种是单向链表，它包含两个域，一个信息域和一个指针域。这个链接指向列表中的下一个节点，而最后一个节点则指向一个空值。

一个单向链表包含两个值: 当前节点的值和一个指向下一个节点的链接。

一个单向链表的节点被分成两个部分。第一个部分保存或者显示关于节点的信息，第二个部分存储下一个节点的地址。单向链表只可向一个方向遍历。

练习：

设计以恶搞链式线性表，给此线性表插入十个整数，删除其中的最大值（假设最大值唯一）

// LinkList.h

#pragma once
//节点类
class LinkNode
{
public:
	int data;//数据域，存放数据元素
	LinkNode* next;//指向下一个节点的指针

public:
	LinkNode();
	LinkNode(int value);
};

//链表本身的类
class LinkList
{
private:
	LinkNode* head;//头指针，指向头节点
	int size;//链表大小

public:
	LinkList();
	~LinkList();

	//添加元素
	void pushBack(int value);//尾部添加
	void insertByIndex(int index, int value);//指定位置添加

	//查找操作
	int getSize();//返回链表的长度
	int findByIndex(int index);//返回指定位置的元素
	int findIndexByValue(int value);//返回指定元素所在的位置，如果有相同元素，只返回第一个
	int front();//返回第一个元素
	int back();//返回最后一个元素

	//删除元素
	void popBack();//尾部删除
	void delByIndex(int index);//删除指定位置元素

	//打印链表
	void printLinkList();
};


//LinkList.c

#include <iostream>
#include "linkList.h"

using namespace std;


LinkNode::LinkNode()
{
	data = NULL;
	next = nullptr;
}

LinkNode::LinkNode(int value)
{
	data = value;
	next = nullptr;
}

LinkList::LinkList()
{
	head = new LinkNode;
	size = 0;
}

LinkList::~LinkList()
{
	LinkNode* curr = head;
	LinkNode* temp = nullptr;

	while (curr != nullptr)
	{
		temp = curr;
		curr = curr->next;
		delete temp;
	}
}

void LinkList::pushBack(int value)
{
	//新建节点
	LinkNode* newNode = new LinkNode(value);
	//找到最后一个节点
	LinkNode* temp = head;
	while (temp->next != nullptr)
	{
		temp = temp->next;
	}
	//修改相应指针
	temp->next = newNode;

	size++;
}
void LinkList::insertByIndex(int index, int value)
{
	if (index < 0 || index > size - 1)
	{
		return;
	}
	//新建节点
	LinkNode* newNode = new LinkNode(value);
	
	LinkNode* curr = head;
	//找到index节点前面的节点
	for (int i = 0; i < index; i++)
	{
		curr = curr->next;
	}
	//修改相应指针
	newNode->next = curr->next;
	curr->next = newNode;

	size++;
}
int LinkList::getSize()
{
	if (size > 0)
	{
		return size;
	}
}
//返回指定位置元素
int LinkList::findByIndex(int index)
{
	if (index < 0 || index > size - 1)
	{
		return NULL;
	}
	LinkNode* curr = head;
	for (int i = 0; i <= index ; i++)
	{
		curr = curr->next;
	}
	return curr->data;

}

int LinkList::findIndexByValue( int value)
{
	int index = -1;
	LinkNode* temp = head->next;
	while (temp != nullptr)
	{
		index++;
		if (temp->data == value)
		{
			return index;
		}
		temp = temp->next;
	}
	return -1;
}

int LinkList::front()
{
	if (head->next != nullptr)
	{
		return head->next->data;
	}
	return NULL;
}
int LinkList::back()
{
	if (head->next == nullptr)
	{
		return NULL;
	}
	//找到最后一个节点
	LinkNode* temp = head;
	while (temp->next != nullptr)
	{
		temp = temp->next;
	}
	return temp->data;
}

//删除
void  LinkList::popBack()
{
	if (head->next == nullptr)
	{
		return;
	}
	LinkNode* curr = head;
	LinkNode* prev = nullptr;

	while (curr->next != nullptr)
	{
		prev = curr;
		curr = curr->next;
	}
	prev->next = nullptr;
	delete curr;

	size--;
}
void LinkList::delByIndex(int index)
{
	if (index < 0 || index > size - 1)
	{
		return;
	}
	LinkNode* curr = head;
	for (int i = 0; i < index; i++)
	{
		curr = curr->next;
	}
	LinkNode* prev = curr->next;
	curr->next = prev->next;
	delete prev;

	size--;
}


void LinkList::printLinkList()
{
	//找到最后一个节点
	LinkNode* temp = head;
	while (temp->next != nullptr)
	{
		temp = temp->next;
		cout << temp->data << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test_linklist()
{
	LinkList list1;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		list1.pushBack(i + 11);
	}
	list1.printLinkList();
	list1.insertByIndex(2, 88);
	list1.printLinkList();
	
	cout << "此链表的第六个元素为：" << list1.findByIndex(5) << endl;
	cout << "此链表的长度为：" << list1.getSize() << endl;

	list1.delByIndex(2);
	list1.printLinkList();


}
void test_homework()
{
	LinkList list2;
	list2.pushBack(5);
	list2.pushBack(6);
	list2.pushBack(7);
	list2.pushBack(9);
	list2.pushBack(10);
	list2.pushBack(15);
	list2.pushBack(18);
	list2.pushBack(20);
	list2.printLinkList();
	int max = list2.front();
	for (int i = 0; i < list2.getSize(); i++)
	{
		if (list2.findByIndex(i) > max)
		{
			max = list2.findByIndex(i);
		}
	}
	cout << list2.getSize() << endl;
	cout << max << endl;
	int maxindex = list2.findIndexByValue(max);
	list2.delByIndex(maxindex);
	list2.printLinkList();

	
}

2.5 线性链表之双向链表

单向链表的节点中只有一个指向其后继的指针，使得单项链表只能从节点依次往后遍历。要访问某个节点的前驱，很不方便。为了克服单项链表的这个缺点，引入了双向链表。双向链表节点中有两个指针，分别指向前驱和后继，所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。

双向链表的插入

练习：

设计一个双向链表，向其中插入几个元素，然后逆序该链表。

思路：创建一个新链表，旧链表从头删除，新链表从头添加。

要求写一个函数，实现此功能

#pragma once
//节点类
class DoubleLinkNode
{
public:
	int data;
	DoubleLinkNode* prev;
	DoubleLinkNode* next;

public:
	DoubleLinkNode();
	DoubleLinkNode(int value);
};

//链表本身的类
class DoubleLinkList
{
private:
	DoubleLinkNode* head;
	int size;

public:
	DoubleLinkList();
	~DoubleLinkList();

	//添加元素
	void pushBack(int value);//尾插
	void pushFront(int value);//头插


	//打印双向链表
	void printDoubleLinkList();

	//查询相关操作
	int getSize();//返回双向链表的长度
	int front();//返回双向链表的第一个元素
	int back();//返回双向链表的最后一个元素

	//删除元素
	void popBack();//尾部删除
	void popFront();//头部删除
};

//c
#include <iostream>
#include"doubleLinkList.h"
using namespace std;

DoubleLinkNode::DoubleLinkNode()
{
	data = NULL;
	prev = nullptr;
	next = nullptr;
}

DoubleLinkNode::DoubleLinkNode(int value)
{
	data = value;
	prev = next = nullptr;
}

DoubleLinkList::DoubleLinkList()
{
	head = new DoubleLinkNode();
	size = 0;
}

DoubleLinkList::~DoubleLinkList()
{
	DoubleLinkNode* curr = head;
	DoubleLinkNode* temp = nullptr;

	while (curr != nullptr)
	{
		temp = curr;
		curr = curr->next;
		delete temp;
	}
}

void DoubleLinkList::pushBack(int value)
{
	//新建节点
	DoubleLinkNode* newNode = new DoubleLinkNode(value);
	//找到最后一个节点
	DoubleLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != nullptr)
	{
		curr = curr->next;
	}
	//修改相关指针
	curr->next = newNode;
	newNode->prev = curr;

	size++;
}

void DoubleLinkList::pushFront(int value)
{
	DoubleLinkNode* newNode = new DoubleLinkNode(value);
	if (size > 0)//或者使用 if (head->next != nullptr)
	{
		newNode->next = head->next;
		head->next = newNode;
		newNode->prev = head;
		newNode->next->prev = newNode;
	}
	else
	{
		head->next = newNode;
		newNode->prev = head;
	}

	size++;
}


void DoubleLinkList::printDoubleLinkList()
{
	DoubleLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != nullptr)
	{
		curr = curr->next;
		cout << curr->data << " ";
	}
	cout << endl;
}

int DoubleLinkList::getSize()
{
	return size;
}

int DoubleLinkList::front()
{
	if (head->next != nullptr)
	{
		return head->next->data;
	}
	return NULL;
}

int DoubleLinkList::back()
{
	DoubleLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != nullptr)
	{
		curr = curr->next;
	}
	return curr->data;
}

void DoubleLinkList::popBack()
{
	if (head->next == nullptr)
	{
		return;
	}
	DoubleLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != nullptr)
	{
		curr = curr->next;
	}
	curr->prev->next = nullptr;
	delete curr;

	size--;
}

void DoubleLinkList::popFront()
{
	if (head->next == nullptr)
	{
		cout << "没有元素" << endl;
		return;
	}

	DoubleLinkNode* curr = head->next;
	if (curr->next != nullptr)
	{
		curr->next->prev = head;
	}
	head->next = curr->next;
	delete curr;

	size--;
}




void test_doublelinklist()
{
	DoubleLinkList* dl = new DoubleLinkList();
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		dl->pushBack(i + 20);
	}
	dl->printDoubleLinkList();
	dl->pushFront(88);
	dl->printDoubleLinkList();

	cout << "此双向链表的大小为：" << dl->getSize() << endl;
	cout << "此双向链表的第一个元素为：" << dl->front() << endl;
	cout << "此双向链表的最后一个元素为：" << dl->back() << endl;
	dl->popBack();
	dl->printDoubleLinkList();
	dl->popFront();
	dl->printDoubleLinkList();

	delete dl;
}

DoubleLinkList* reverseDoubleLinkList(DoubleLinkList* list)
{
	DoubleLinkList* list2 = new DoubleLinkList;
	while (list->getSize() != 0)
	{
		list2->pushFront(list->front());
		list->popFront();
	}
	return list2;
}

void reverseDoubleLinkList2(DoubleLinkList*& list)
{
	DoubleLinkList* list2 = new DoubleLinkList;
	cout << "list: " << &list << endl;
	cout << "list2: " << &list2 << endl;

	while (list->getSize() != 0)
	{
		list2->pushFront(list->front());
		list->popFront();
	}
	list = list2;
	cout << "list: " << &list << endl;
	/*while (list2->getSize() != 0)
	{
		list->pushBack(list2->front());
		list2->popFront();
	}
	delete list2;*/
}

void test_reverse()
{
	DoubleLinkList* list1 = new DoubleLinkList();
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		list1->pushBack(i + 11);
	}
	list1->printDoubleLinkList();

	DoubleLinkList* list2 = reverseDoubleLinkList(list1);
	list2->printDoubleLinkList();

	delete list1;
	delete list2;
}

void test_reverse_2()
{
	DoubleLinkList* list1 = new DoubleLinkList();
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		list1->pushBack(i + 11);
	}
	list1->printDoubleLinkList();
	cout << "list1: " << &list1 << endl;

	reverseDoubleLinkList2(list1);
	cout << "list1: " << &list1 << endl;
	list1->printDoubleLinkList();
}

2.6线性表之循环链表

循环列表是一种线性表的数据结构，其中最后一个节点的指针指向头节点，形成一个环状结构。

定义与特点

定义‌：

循环列表（Circular List）是一种特殊的线性表，其最后一个节点的指针不是指向NULL，而是指向头节点，形成一个闭环。‌

特点：

‌无界性‌：从任一节点出发，可以遍历到所有节点，无需判断边界。

‌循环性‌：操作（如遍历）时，可以无缝地从尾节点回到头节点。

‌应用广泛‌：常用于实现循环队列、约瑟夫环等问题。

练习：解决约瑟夫环问题

约瑟夫问题：有n个人围城一个圈，首先第一个人从1开始报数，报到第m个人，令其出列，然后再从下一个人开始再从1开始报数，报道第m个人，令其出列。如此下去，直到所有人全部出列。

打印出列顺序。

#pragma once

class CirlceLinkNode
{
public:
	int data;
	CirlceLinkNode* next;
	

public:
	CirlceLinkNode();
	CirlceLinkNode(int value);
};

class CircleLinkList
{
public:
	CirlceLinkNode* head;
	int size;

public:
	CircleLinkList();
	~CircleLinkList();

	void pushBack(int value);
	void pushFront(int value);

	int getSize();
	int front();
	int back();

	void popBack();
	void popFront();

	void printCircleLinkList();

	void yuesefu(int value);
    void yuesefu();//约瑟夫环

};

#include <iostream>
#include "circleLinkList.h"

using namespace std;

CirlceLinkNode::CirlceLinkNode()
{
	data = NULL;
	next = nullptr;
}

CirlceLinkNode::CirlceLinkNode(int value)
{
	data = value;
	next = nullptr;
}

CircleLinkList::CircleLinkList()
{
	head = new CirlceLinkNode;
	head ->next = head;
	size = 0;
}

CircleLinkList::~CircleLinkList()
{
	CirlceLinkNode* curr =  head->next;
	CirlceLinkNode* temp;
	while (curr != head)
	{
		temp = curr;
		curr = curr->next;
		delete temp;
	}
	delete head;
}

void CircleLinkList::pushBack(int value)
{
	CirlceLinkNode* newNode = new CirlceLinkNode(value);
	CirlceLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != head)
	{
		curr = curr->next;
	}
	curr->next = newNode;
	newNode->next = head;

	size++;
}
void CircleLinkList::pushFront(int value)
{
	CirlceLinkNode* newNode = new CirlceLinkNode(value);
	newNode->next = head->next;
	head->next = newNode;

	size++;
}

int CircleLinkList::getSize()
{
	return size;
}

int CircleLinkList::front()
{
	if (size > 0)
	{
		return head->next->data;
	}
	return NULL;
}

int CircleLinkList::back()
{
	if (size > 0)
	{
		CirlceLinkNode* curr = head;
		while (curr->next != head)
		{
			curr = curr->next;
		}
		return curr->data;
	}
	return NULL;
}

void CircleLinkList::popBack()
{
	if (head->next == head)
	{
		return;
	}
	CirlceLinkNode* curr = head;
	CirlceLinkNode* prev = nullptr;
	while (curr->next != head)
	{
		prev = head;
		curr = curr->next;
	}
	prev->next = head;
	delete curr;
	
	size--;
}

void CircleLinkList::popFront()
{
	if (head->next == head)
	{
		return;
	}
	CirlceLinkNode* curr = head->next;
	head->next = curr->next;
	delete curr;

	size--;
}

void CircleLinkList::printCircleLinkList()
{
	CirlceLinkNode* curr = head;
	while (curr->next != head)
	{
		curr = curr->next;
		cout << curr->data << " ";
	}
	cout << endl;
}


void test_circle()
{
	CircleLinkList cl;
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		cl.pushBack(i + 30);
	}
	cl.printCircleLinkList();
	cl.pushFront(88);
	cl.printCircleLinkList();
	cout << "此循环链表额长度为： " << cl.getSize() << endl;
	cout << "此循环链第一个元素为： " << cl.front() << endl;
	cout << "此循环链最后一个元素为： " << cl.back() << endl;
	cl.popFront();
	cl.printCircleLinkList();
}

void CircleLinkList::yuesefu()
{
	CirlceLinkNode* curr = head;
	CirlceLinkNode* prev = nullptr;
	/*int size = 8;
	while (size > 0)
	{
		for (int i = 0; i < value; i++)
		{
			prev = curr;
			if (curr->next == head)
			{
				curr = curr->next;
			}
			curr = curr->next;
		}
		prev->next = curr->next;
		cout << curr->data << " ";
		size--;
	}*/
	while (size > 0)
	{
		for (int i = 1; i <= 3; i++)
		{
			prev = curr;
			curr = curr->next;
			if (curr == head)
			{
				curr = curr->next;
				prev = head;
			}
		}
		prev->next = curr->next;
		cout << curr->data << " ";

		delete curr;
		curr = prev;
		size--;
	}
}

void test_yuesefu()
{
	CircleLinkList* yuecl = new CircleLinkList;
	for (int i = 1; i < 9; i++)
	{
		yuecl->pushBack(i);
	}
	yuecl->printCircleLinkList();
	//yuecl->yuesefu(3);
	yuecl->yuesefu();
}