前言

本篇文章带大家正式的来学习数据结构，数据结构是学习操作系统，和深入C语言必不可少的，所以这篇文章开始带大家学习数据结构的知识。

一、什么是链表

链表（Linked List）是一种常见的数据结构，用于存储和组织数据元素。它由一系列节点（Node）组成，每个节点包含存储的数据（或称为元素/值）以及指向下一个节点的引用（或链接/指针）。

链表中的节点可以通过指针连接在一起，形成一个链式结构，而不像数组那样在内存中连续存储。每个节点只需要存储指向下一个节点的引用，而不需要预先分配固定大小的内存空间。这使得链表具有动态性，能够高效地插入、删除节点，但对于随机访问则效率较低。

链表分为单向链表（Singly Linked List）和双向链表（Doubly Linked List）两种常见类型。

在单向链表中，每个节点的引用指向下一个节点，最后一个节点的引用为空（null）。从头节点（首节点）开始遍历链表，通过一次次跳转到下一个节点来访问或操作数据。

双向链表在单向链表的基础上添加了一个指向前一个节点的引用。这使得双向链表可以从头节点和尾节点两个方向遍历，增加了一些操作的灵活性，但也增加了一些额外的空间开销。

链表适用于频繁的插入和删除操作，而不需要频繁的随机访问。它在内存使用上可以比数组更灵活，但在访问速度上相对较慢。链表常用于实现其他高级数据结构，如队列、栈和图等。

需要注意的是，链表的节点并不需要连续的内存空间，可以在内存中分散存储。这与数组的存储方式不同，数组在内存中需要一段连续的空间来存储所有元素。这是链表与数组的主要区别之一。

二、链表的优点和缺点

链表的优点包括：

1.动态性：链表的大小可以根据需要动态地增长或缩小，不像数组需要预先分配固定大小的空间。

2.插入和删除操作高效：由于链表中的节点仅需修改相邻节点的指针，插入和删除节点的操作复杂度为O(1)，效率很高。

3.内存利用率高：链表节点可以在内存中分散存储，可以充分利用零散的空间。

4.支持灵活的数据结构：链表可以用于实现其他高级数据结构，如队列、栈和图等。

链表的缺点包括：

1.随机访问效率低：由于链表的内存存储不是连续的，要访问特定位置的节点，必须从头节点开始遍历，直到达到目标位置，这使得随机访问的效率较低。时间复杂度为O(n)。

2.额外的存储空间：链表需要额外的指针来维护节点之间的连接关系，这会占用一定的存储空间。

3.不支持随机访问：由于链表的节点间没有直接的索引关系，不能像数组那样通过索引快速访问任意位置的节点。

4.需要遍历整个链表：若要访问链表中的所有节点，需要从头节点开始遍历整个链表，这会增加一定的时间开销。

综上所述，链表适合在插入和删除操作较频繁、对随机访问要求较低的场景下使用，而在需要频繁的随机访问和占用连续内存空间的场景中，数组可能是更好的选择。选择使用链表或数组取决于具体的应用需求和优化目标。

三、链表节点的定义

链表节点（Node）是链表中的基本组成单元，包含存储的数据（或称为元素/值）以及指向下一个节点（或前一个节点）的引用。

基本的链表节点定义通常包括以下成员：

1.数据（Data）：节点存储的数据或元素值。

2.下一个节点引用（Next）：指向链表中下一个节点的引用。在单向链表中，该引用指向链表中的后继节点；在双向链表中，该引用则指向链表中的下一个节点。

3.（可选）前一个节点引用（Previous）：仅在双向链表中存在，指向链表中的前一个节点。

// 定义链表节点结构体
struct Node {
    int data;          // 节点存储的数据
    struct Node* next; // 指向下一个节点的指针
};

四、初始化链表

在C语言中，初始化链表通常需要创建一个头节点并将其置为NULL，表示链表为空。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* 定义链表节点 */
typedef struct node
{
	int data;          // 节点存储的数据
	struct node* PNext; // 指向下一个节点的指针
}Node;

/* 初始化链表 */
Node* InitList(void)
{
	Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (head != NULL)
	{
		head->data = 0;
		head->PNext = NULL;
	}
	return head;
}

int main(void)
{
	Node* Head = InitList();

	return 0;
}

五、链表的插入

1.头部插入

当我们在链表的头部插入节点时，意味着我们要将一个新的节点插入到链表的开头位置。
首先需要使用malloc函数来分配一个节点，有了节点后我们才可以进行插入操作。
进行头部插入只需要将新分配的节点的PNext指向原来的头指针，然后再将头指针指向新的节点。
这个时候新的节点就成为了头节点。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* 定义链表节点 */
typedef struct node
{
	int data;          // 节点存储的数据
	struct node* PNext; // 指向下一个节点的指针
}Node;

/* 初始化链表 */
Node* InitList(void)
{
	Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (head != NULL)
	{
		head->data = 0;
		head->PNext = NULL;
	}
	return head;
}

/* 头部插入 */
void HeadAdd(Node** HeadNode, int data)
{
	Node* NewNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (NewNode != NULL)
	{
		NewNode->data = data;
		NewNode->PNext = *HeadNode;
		*HeadNode = NewNode;
	}
}

int main(void)
{
	Node* Head = InitList();
	HeadAdd(&Head, 1);

	printf("%d\n", Head->data);//打印1
	printf("%d\n", Head->PNext->data);//打印0

	free(Head);

	return 0;
}

这里使用一张图来帮助大家理解：
在这里插入图片描述

2.尾部插入

尾部插入要比头部插入稍微难一点，因为需要先找到最后的一个节点，然后将最后一个节点的下一个指针指向新的节点，这里就涉及到了链表的遍历了。我们放下面讲解。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* 定义链表节点 */
typedef struct node
{
	int data;          // 节点存储的数据
	struct node* PNext; // 指向下一个节点的指针
}Node;

/* 初始化链表 */
Node* InitList(void)
{
	Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (head != NULL)
	{
		head->data = 0;
		head->PNext = NULL;
	}
	return head;
}

/* 头部插入 */
void HeadAdd(Node** HeadNode, int data)
{
	Node* NewNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (NewNode != NULL)
	{
		NewNode->data = data;
		NewNode->PNext = *HeadNode;
		*HeadNode = NewNode;
	}
}

/* 尾部插入 */
void TailAdd(Node** HeadNode, int data)
{
	Node* NewNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	if (NewNode != NULL)
	{
		NewNode->data = data;
		NewNode->PNext = NULL;
		
		/* 判断链表是否为空 */
		if (*HeadNode == NULL)
		{
			*HeadNode = NewNode;
		}
		else
		{
			Node* current = *HeadNode; 
			while (current->PNext != NULL)
			{
				/* 遍历链表找出最后一个节点 */
				current = current->PNext;
			}
			/* 将最后一个节点的下一个指针指向新的节点 */
			current->PNext = NewNode;
		}
	}
}

int main(void)
{
	Node* Head = InitList();
	TailAdd(&Head, 1);

	printf("%d\n", Head->data);//打印0
	printf("%d\n", Head->PNext->data);//打印1

	free(Head);

	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.中间插入

中间插入的话就会稍微复杂一点了，因为是在中间进行插入操作，首先需要找到对应的位置，并且需要关注前后两个节点的PNext指针指向。

/* 中间插入 */
void MiddleAdd(Node** HeadNode, int data, int index)
{
	Node* NewNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
	Node* current = *HeadNode;
	int i = 0;
	if (NewNode != NULL)
	{
		NewNode->data = data;
		/* 判断链表是否为空 */
		if (*HeadNode == NULL)
		{
			*HeadNode = NewNode;
		}
		else if (current->PNext == NULL)
		{
			/* 只有一个节点直接使用尾部插入 */
			TailAdd(HeadNode, data);
		}
		else
		{			
			for (i = 0; i < index - 1; i++)
			{
				/* 遍历链表找到要插入位置的前一个链表节点 */
				current = current->PNext;
			}
			Node* currentNext = current->PNext;/* 记录要插入位置的下一个节点 */

			current->PNext = NewNode;
			NewNode->PNext = currentNext;
		}
	}
}

在这里插入图片描述

六、遍历链表

链表的遍历其实并不难，我们使用一个名为current的指针来追踪当前节点，初始化为*HeadNode。如果当前节点不为NULL，就继续移动current指针到下一个节点，遍历到链表的结尾。

/* 遍历链表 */
void TraverseList(Node* HeadNode)
{
	Node* current = HeadNode;
	while (current != NULL)
	{
		printf("Node data : %d\n", current->data);
		current = current->PNext;//向后移动一个位置
	}
}

七、释放链表

释放链表也是比较简单的，和遍历链表的操作有一些类似，只不过这里多了一步操作就是需要记录当前节点，当当前节点移动后对当前节点进行free释放，这样就可以完成链表的释放了。

/* 释放链表 */
void FreeList(Node* HeadNode)
{
	Node* Nowcurrent = HeadNode;
	Node* Oldcurrent = NULL;
	while (Nowcurrent != NULL)
	{
		Oldcurrent = Nowcurrent;/* 记录当前链表节点 */
		Nowcurrent = Nowcurrent->PNext;//向后移动一个位置
		free(Oldcurrent);/* 释放当前链表节点 */
	}
}