C++ 链表及其实战应用
- 引言
- 一、链表的概述
- 二、利用链表设计一个学生管理系统
- 2.1、设计主函数main()
- 2.2、实现插入节点
- 2.3、实现链表的遍历
- 2.4、实现链表的查找
- 2.5、实现删除某个节点
- 2.6、实现释放链表
- 2.7、完整代码
- 总结
引言
💡 作者简介：专注于C/C++高性能程序设计和开发，理论与代码实践结合，让世界没有难学的技术。包括C/C++、Linux、MySQL、Redis、TCP/IP、协程、网络编程等。
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一、链表的概述
链表（Linked List）是一种常见的数据结构，它由若干个节点（Node）组成，每个节点包含一个数据元素和指向下一个节点的指针。相邻两个节点之间通过指针连接起来，形成了链式结构。
链表可以分为单向链表、双向链表和循环链表三种类型。其中单向链表每个节点只有一个指向下一个节点的指针；双向链表每个节点除了有指向下一个节点的指针外，还有指向前一个节点的指针；循环链表则是将最后一个节点的指针指向头结点，使得整个链条形成了一个闭环。
单向链表是由一个一个节点组成，节点没有名字，每个节点从堆区动态申请，节点间物理上是非连续的，但是每个节点通过指针保存下一个节点的位置达到逻辑上的连续。
数组和链表的优缺点：
- 静态数组：缺点是必须事先知道数组元素个数，设置过多了浪费内存空间，设置过少容易溢出，插入、删除数据效率低；优点是遍历元素效率高，支持随机访问。
- 动态数组：不需要实现知道元素的个数，在使用中动态申请，插入、删除数据效率低；优点是遍历元素效率高，支持随机访问。
- 链表：优点是不需要实现知道元素的个数，在使用中动态申请，插入、删除数据不需要移动数据；缺点是遍历效率低。
二、利用链表设计一个学生管理系统
通过实战的方式掌握链表的使用。
2.1、设计主函数main()
首先是一个帮助函数和main()函数的实现：
void help()
{
cout << "*************************************" << endl;
cout << "1) help:" << endl;
cout << "2) insert:" << endl;
cout << "3) print:" << endl;
cout << "4) search:" << endl;
cout << "5) delete:" << endl;
cout << "6) free:" << endl;
cout << "7) quit:" << endl;
cout << "*************************************" << endl;
}
int main() {
help();
struct Student *head=NULL;
while (1)
{
char cmd[64] = { 0 };
cout << "请输入指令：";
cin >> cmd;
if (strcmp(cmd, "help")==0)
{
help();
}
else if (strcmp(cmd, "insert")==0)
{
cout << "请输入节点信息（id, name）：";
struct Student *tmp=new struct Student;
cin >> tmp->id >> tmp->name;
head=insert_link(head,tmp);
}
else if (strcmp(cmd, "print")==0)
{
print_link(head);
}
else if (strcmp(cmd, "search") == 0)
{
char name[32] = { 0 };
cout << "请输入查询的姓名：";
cin >> name;
struct Student *res=search_link(head, name);
if (res != NULL)
{
cout << "查询结果："<<res->id << " " << res->name << endl;
}
else
{
cout << name << "不存在" << endl;
}
}
else if (strcmp(cmd, "delete") == 0)
{
cout << "请输入要删除的节点学号：";
int num;
cin >> num;
head = delete_link(head, num);
}
else if (strcmp(cmd, "free") == 0)
{
head=free_link(head);
if (head == NULL)
cout << "已完成释放" << endl;
}
else if (strcmp(cmd, "quit") == 0)
{
head = free_link(head);
if (head == NULL)
cout << "已完成释放" << endl;
cout << "已退出系统" << endl;
return 0;
}
else
{
cout << "不识别的指令，请正确输入指令。" << endl;
help();
}
}
return 0;
}
2.2、实现插入节点
插入节点的方式有三种：
- 头部插入。
- 尾部插入。
- 有序插入（双指针法）。
// 插入链表
struct Student * insert_link(struct Student *head, struct Student *node)
{
#if 0
//头插法
// 链表不存在时；
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
}
else
{
// 链表串联起来。头插法
node->next = head;
head = node;
}
return head;
#elif 0
// 尾插法
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
return head;
}
// 查找末尾
struct Student *cur = head;
while (cur->next != NULL)
{
cur = cur->next;
}
// 尾部插入
cur->next = node;
node->next = NULL;
return head;
#else
// 有序插入
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
return head;
}
// 双指针法
struct Student *cur = head;
struct Student *pre = head;
while (cur->id < node->id && cur->next != NULL)
{
// 保存cur记录
pre = cur;
// cur移动到下一个
cur = cur->next;
}
// 判断插入点的位置
if (cur->id > node->id)
{
if (cur == head)//头部插入
{
node->next = head;
head = node;
}
else//中部插入
{
pre->next = node;
node->next = cur;
}
}
else
{
// 尾部插入
cur->next = node;
node->next = NULL;
}
#endif
}
2.3、实现链表的遍历
// 遍历链表
void print_link(struct Student *head)
{
if (head == NULL)
{
cout << "link is empty." << endl;
return;
}
// 循环遍历链表
struct Student *cur;
cur = head;
while (cur != NULL)
{
cout << cur->id << " " << cur->name << endl;
cur = cur->next;
}
}
2.4、实现链表的查找
struct Student *search_link(struct Student *head,const char *name)
{
if (head == NULL)
return NULL;
struct Student *cur = head;
while (cur->next != NULL && strcmp(cur->name, name) != 0)
cur = cur->next;
if (strcmp(cur->name, name) == 0)
return cur;
return NULL;
}
2.5、实现删除某个节点
struct Student *delete_link(struct Student *head,int num)
{
if (head == NULL)
{
cout << "链表不存在" << endl;
return NULL;
}
struct Student *cur = head;
struct Student *pre = head;
// 查找节点
while (cur->next != NULL && cur->id != num)
{
pre = cur;
cur = cur->next;
}
if (cur->id == num)
{
cout << "找到节点，并删除了。" << endl;
if (cur == head)//头部删除
{
head = cur->next;
}
else//中尾部删除
pre->next = cur->next;
delete cur;
}
else
{
cout << "节点不存在" << endl;
}
return head;
}
2.6、实现释放链表
struct Student *free_link(struct Student *head)
{
if (head == NULL)
{
cout << "链表不存在" << endl;
return NULL;
}
struct Student *cur = head;
while (cur != NULL)
{
head = head->next;
delete cur;
cur = head;
}
return head;
}
2.7、完整代码
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
using namespace std;
void help()
{
cout << "*************************************" << endl;
cout << "1) help:" << endl;
cout << "2) insert:" << endl;
cout << "3) print:" << endl;
cout << "4) search:" << endl;
cout << "5) delete:" << endl;
cout << "6) free:" << endl;
cout << "7) quit:" << endl;
cout << "*************************************" << endl;
}
struct Student {
int id;
char name[16];
struct Student *next;
};
// 插入链表
struct Student * insert_link(struct Student *head, struct Student *node)
{
#if 0
//头插法
// 链表不存在时；
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
}
else
{
// 链表串联起来。头插法
node->next = head;
head = node;
}
return head;
#elif 0
// 尾插法
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
return head;
}
// 查找末尾
struct Student *cur = head;
while (cur->next != NULL)
{
cur = cur->next;
}
// 尾部插入
cur->next = node;
node->next = NULL;
return head;
#else
// 有序插入
if (head == NULL)
{
head = node;
head->next = NULL;
return head;
}
// 双指针法
struct Student *cur = head;
struct Student *pre = head;
while (cur->id < node->id && cur->next != NULL)
{
// 保存cur记录
pre = cur;
// cur移动到下一个
cur = cur->next;
}
// 判断插入点的位置
if (cur->id > node->id)
{
if (cur == head)//头部插入
{
node->next = head;
head = node;
}
else//中部插入
{
pre->next = node;
node->next = cur;
}
}
else
{
// 尾部插入
cur->next = node;
node->next = NULL;
}
#endif
}
// 遍历链表
void print_link(struct Student *head)
{
if (head == NULL)
{
cout << "link is empty." << endl;
return;
}
// 循环遍历链表
struct Student *cur;
cur = head;
while (cur != NULL)
{
cout << cur->id << " " << cur->name << endl;
cur = cur->next;
}
}
struct Student *search_link(struct Student *head,const char *name)
{
if (head == NULL)
return NULL;
struct Student *cur = head;
while (cur->next != NULL && strcmp(cur->name, name) != 0)
cur = cur->next;
if (strcmp(cur->name, name) == 0)
return cur;
return NULL;
}
struct Student *delete_link(struct Student *head,int num)
{
if (head == NULL)
{
cout << "链表不存在" << endl;
return NULL;
}
struct Student *cur = head;
struct Student *pre = head;
// 查找节点
while (cur->next != NULL && cur->id != num)
{
pre = cur;
cur = cur->next;
}
if (cur->id == num)
{
cout << "找到节点，并删除了。" << endl;
if (cur == head)//头部删除
{
head = cur->next;
}
else//中尾部删除
pre->next = cur->next;
delete cur;
}
else
{
cout << "节点不存在" << endl;
}
return head;
}
struct Student *free_link(struct Student *head)
{
if (head == NULL)
{
cout << "链表不存在" << endl;
return NULL;
}
struct Student *cur = head;
while (cur != NULL)
{
head = head->next;
delete cur;
cur = head;
}
return head;
}
int main() {
help();
struct Student *head=NULL;
while (1)
{
char cmd[64] = { 0 };
cout << "请输入指令：";
cin >> cmd;
if (strcmp(cmd, "help")==0)
{
help();
}
else if (strcmp(cmd, "insert")==0)
{
cout << "请输入节点信息（id, name）：";
struct Student *tmp=new struct Student;
cin >> tmp->id >> tmp->name;
head=insert_link(head,tmp);
}
else if (strcmp(cmd, "print")==0)
{
print_link(head);
}
else if (strcmp(cmd, "search") == 0)
{
char name[32] = { 0 };
cout << "请输入查询的姓名：";
cin >> name;
struct Student *res=search_link(head, name);
if (res != NULL)
{
cout << "查询结果："<<res->id << " " << res->name << endl;
}
else
{
cout << name << "不存在" << endl;
}
}
else if (strcmp(cmd, "delete") == 0)
{
cout << "请输入要删除的节点学号：";
int num;
cin >> num;
head = delete_link(head, num);
}
else if (strcmp(cmd, "free") == 0)
{
head=free_link(head);
if (head == NULL)
cout << "已完成释放" << endl;
}
else if (strcmp(cmd, "quit") == 0)
{
head = free_link(head);
if (head == NULL)
cout << "已完成释放" << endl;
cout << "已退出系统" << endl;
return 0;
}
else
{
cout << "不识别的指令，请正确输入指令。" << endl;
help();
}
}
return 0;
}
总结
链表（Linked List）是一种常见的数据结构，它由若干个节点（Node）组成，每个节点包含一个数据元素和指向下一个节点的指针。相邻两个节点之间通过指针连接起来，形成了链式结构。
链表可以分为单向链表、双向链表和循环链表三种类型。其中单向链表每个节点只有一个指向下一个节点的指针；双向链表每个节点除了有指向下一个节点的指针外，还有指向前一个节点的指针；循环链表则是将最后一个节点的指针指向头结点，使得整个链条形成了一个闭环。
相比于数组等线性存储结构，链表具有以下优点：
-
链表可以动态扩展，不需要预先定义大小。
-
插入和删除操作非常高效，只需要修改相邻两个节点之间的指针即可。
-
对于大规模数据存储时空效率更高。
但是也存在一些缺点：
-
随机访问元素比较困难，需要遍历整个链条才能找到对应位置的元素。
-
存储多余的地址信息会占用额外空间。
