C语言进阶（八）—— 链表

news2024/11/23 7:09:59

1. 链表基本概念

1.1 什么是链表

  • 链表是一种常用的数据结构，它通过指针将一些列数据结点，连接成一个数据链。相对于数组，链表具有更好的动态性（非顺序存储）。

  • 数据域用来存储数据，指针域用于建立与下一个结点的联系。

  • 建立链表时无需预先知道数据总量的，可以随机的分配空间，可以高效的在链表中的任意位置实时插入或删除数据。

  • 链表的开销，主要是访问顺序性和组织链的空间损失。

数组和链表的区别：

数组：一次性分配一块连续的存储区域。

优点：随机访问元素效率高

缺点：1) 需要分配一块连续的存储区域（很大区域，有可能分配失败）

2) 删除和插入某个元素效率低

链表：无需一次性分配一块连续的存储区域，只需分配n块节点存储区域，通过指针建立关系。

优点：1) 不需要一块连续的存储区域

2) 删除和插入某个元素效率高

缺点：随机访问元素效率低

1.2 有关结构体的自身引用

问题1：请问结构体可以嵌套本类型的结构体变量吗？

问题2：请问结构体可以嵌套本类型的结构体指针变量吗？

typedef struct _STUDENT{
    char name[64];
    int age;
}Student;

typedef struct _TEACHER{
    char name[64];
    Student stu; //结构体可以嵌套其他类型的结构体
    //Teacher stu;
    //struct _TEACHER teacher; //此时Teacher类型的成员还没有确定，编译器无法分配内存
    struct _TEACHER* teacher; //不论什么类型的指针，都只占4个字节，编译器可确定内存分配
}Teacher;

  • 结构体可以嵌套另外一个结构体的任何类型变量;

  • 结构体嵌套本结构体普通变量（不可以）。本结构体的类型大小无法确定，类型本质：固定大小内存块别名;

  • 结构体嵌套本结构体指针变量（可以）, 指针变量的空间能确定，32位， 4字节、 64位， 8字节;

1.3 链表节点

大家思考一下，我们说链表是由一系列的节点组成，那么如何表示一个包含了数据域和指针域的节点呢？

链表的节点类型实际上是结构体变量，此结构体包含数据域和指针域：

  • 数据域用来存储数据；

  • 指针域用于建立与下一个结点的联系，当此节点为尾节点时，指针域的值为NULL；

typedef struct Node 
{
    //数据域
    int id;
    char name[50];

    //指针域
    struct Node *next;       
}Node;

1.4 链表的分类

链表分为：静态链表和动态链表

静态链表和动态链表是线性表链式存储结构的两种不同的表示方式：

  • 所有结点都是在程序中定义的，不是临时开辟的，也不能用完后释放，这种链表称为“静态链表”。

  • 所谓动态链表，是指在程序执行过程中从无到有地建立起一个链表，即一个一个地开辟结点和输入各结点数据，并建立起前后相链的关系。

1.4.1 静态链表

typedef struct Stu
{
    int id;    //数据域
    char name[100];

    struct Stu *next; //指针域
}Stu;

void test()
{
    //初始化三个结构体变量
    Stu s1 = { 1, "yuri", NULL };
    Stu s2 = { 2, "lily", NULL };
    Stu s3 = { 3, "lilei", NULL };

    s1.next = &s2; //s1的next指针指向s2
    s2.next = &s3;
    s3.next = NULL; //尾结点

    Stu *p = &s1;
    while (p != NULL)
    {
        printf("id = %d, name = %s\n", p->id, p->name);

        //结点往后移动一位
        p = p->next; 
    }
}

1.4.2 动态链表

typedef struct Stu{
    int id;    //数据域
    char name[100];

    struct Stu *next; //指针域
}Stu;

void test(){
    //动态分配3个节点
    Stu *s1 = (Stu *)malloc(sizeof(Stu));
    s1->id = 1;
    strcpy(s1->name, "yuri");

    Stu *s2 = (Stu *)malloc(sizeof(Stu));
    s2->id = 2;
    strcpy(s2->name, "lily");

    Stu *s3 = (Stu *)malloc(sizeof(Stu));
    s3->id = 3;
    strcpy(s3->name, "lilei");

    //建立节点的关系
    s1->next = s2; //s1的next指针指向s2
    s2->next = s3;
    s3->next = NULL; //尾结点

    //遍历节点
    Stu *p = s1;
    while (p != NULL)
    {
        printf("id = %d, name = %s\n", p->id, p->name);

        //结点往后移动一位
        p = p->next; 
    }

    //释放节点空间
    p = s1;
    Stu *tmp = NULL;
    while (p != NULL)
    {
        tmp = p;
        p = p->next;

        free(tmp);
        tmp = NULL;
    }
}

1.4.3 带头和不带头链表

  • 带头链表：固定一个节点作为头结点(数据域不保存有效数据)，起一个标志位的作用，以后不管链表节点如果改变，此头结点固定不变

  • 不带头链表：头结点不固定，根据实际需要变换头结点(如在原来头结点前插入新节点，然后，新节点重新作为链表的头结点)。

1.4.4 单向链表、双向链表、循环链表

单向链表：

双向链表：

循环链表：

2. 链表基本操作

2.1 创建链表

使用结构体定义节点类型：

typedef struct _LINKNODE
{
    int id; //数据域
    struct _LINKNODE* next; //指针域
}link_node;

编写函数：link_node* init_linklist()

建立带有头结点的单向链表，循环创建结点，结点数据域中的数值从键盘输入，以 -1 作为输入结束标志，链表的头结点地址由函数值返回。

typedef struct _LINKNODE{
    int data;
    struct _LINKNODE* next;
}link_node;

link_node* init_linklist(){
    
    //创建头结点指针
    link_node* head = NULL;
    //给头结点分配内存
    head = (link_node*)malloc(sizeof(link_node));
    if (head == NULL){
        return NULL;
    }
    head->data = -1;
    head->next = NULL;

    //保存当前节点
    link_node* p_current = head;
    int data = -1;
    //循环向链表中插入节点
    while (1){
    
        printf("please input data:\n");
        scanf("%d",&data);

        //如果输入-1，则退出循环
        if (data == -1){
            break;
        }

        //给新节点分配内存
        link_node* newnode = (link_node*)malloc(sizeof(link_node));
        if (newnode == NULL){
            break;
        }

        //给节点赋值
        newnode->data = data;
        newnode->next = NULL;

        //新节点入链表，也就是将节点插入到最后一个节点的下一个位置
        p_current->next = newnode;
        //更新辅助指针p_current
        p_current = newnode;
    }

    return head;
}

2.2 遍历链表

编写函数：void foreach_linklist(link_node* head)

顺序输出单向链表各项结点数据域中的内容：

//遍历链表
void foreach_linklist(link_node* head){
    if (head == NULL){
        return;
    }

    //赋值指针变量
    link_node* p_current = head->next;
    while (p_current != NULL){
        printf("%d ",p_current->data);
        p_current = p_current->next;
    }
    printf("\n");
}

2.3 插入节点

编写函数: void insert_linklist(link_node* head,int val,int data)

在指定值后面插入数据data,如果值val不存在，则在尾部插入：li

//在值val前插入节点
void insert_linklist(link_node* head, int val, int data){
    
    if (head == NULL){
        return;
    }

    //两个辅助指针
    link_node* p_prev = head;
    link_node* p_current = p_prev->next;
    while (p_current != NULL){
        if (p_current->data == val){
            break;
        }
       //两个辅助指针向后
        p_prev = p_current;
        p_current = p_prev->next;
    }

    //如果p_current为NULL，说明不存在值为val的节点
    //if (p_current == NULL){
    //    printf("不存在值为%d的节点!\n",val);
    //    return;
    //}

    //创建新的节点
    link_node* newnode = (link_node*)malloc(sizeof(link_node));
    newnode->data = data;
    newnode->next = NULL;

    //新节点入链表
    newnode->next = p_current;
    p_prev->next = newnode;
}

2.4 删除节点

编写函数: void remove_linklist(link_node* head,int val)

删除第一个值为val的结点：

//删除值为val的节点
void remove_linklist(link_node* head,int val){
    if (head == NULL){
        return;
    }

    //辅助指针
    link_node* p_prev = head;
    link_node* p_current = p_prev->next;

    //查找值为val的节点
    while (p_current != NULL){
        if (p_current->data == val){
            break;
        }
        p_prev = p_current;
        p_current = p_prev->next;
    }
    //如果p_current为NULL，表示没有找到
    if (p_current == NULL){
        return;
    }
    
    //删除当前节点： 重新建立待删除节点(p_current)的前驱后继节点关系
    p_prev->next = p_current->next;
    //释放待删除节点的内存
    free(p_current);
}

2.5 销毁链表

编写函数: void destroy_linklist(link_node* head)

销毁链表，释放所有节点的空间：

//销毁链表
void destroy_linklist(link_node* head){
    if (head == NULL){
        return;
    }
    //赋值指针
    link_node* p_current = head;
    while (p_current != NULL){
        //缓存当前节点下一个节点
        link_node* p_next = p_current->next;
        free(p_current);
        p_current = p_next;
    }
}

2.6 反转链表

编写函数: void reverse_linklist(link_node* head)

反转链表通过3个辅助指针变量实现链表的翻转:

void reverse_linklist(link_node* head){
    if (head == NULL){
        return;
    }
    //辅助指针
    link_node* p_prev = NULL;
    link_node* p_current = head->next;
    link_node* p_next = NULL;
    while (p_current != NULL){
        p_next = p_current->next;
        //更改指针指向
        p_current->next = p_prev;
        //移动辅助指针
        p_prev = p_current;
        p_current = p_next;
    }
    //更新头结点
    head->next = p_prev;
}

2.7 统计链表长度

编写函数: int size_linklist(link_node* head)

int size_linklist(link_node* head){
    if (head == NULL){
        return -1;
    }
    //临时指针变量执行第一个真实数据的结点
    link_node* p_current = head->next;
    //记录结点个数
    int num = 0;
    while (p_current != null) {
        num++;
        p_current = p_current->next;
    }
    return num;
}

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