数据结构（二）—— 线性表（详细知识总结）

【考纲内容】
（一）线性表的定义和基本操作
（二）线性表的实现
顺序存储；链式存储；线性表的应用

【框架】

一 线性表的定义和操作

1.1、线性表简介

线性表是具有相同类型的n（n>=0）个数据元素的有限序列A0，A1，A2，…，An-1。Ai是表项，n是表的长度。

当n=0时，线性表是一个空表。若用L命名线性表，则其一般表示为
L=(A1,A2,A3,……,Ai,Ai+1,……,An,)

A1是唯一的“第一个”元素，又称表头元素；An是唯一的“最后一个元素”，又称表尾元素。 除第一个元素外，每个元素有且仅有一个直接前驱。除最后一个元素外，每个元素有且只有一个直接后继。以上就是线性表的逻辑特性，这种线性有序的逻辑结构正式线性表的名字由来。

1.2、线性表的表现形式

• 表中元素个数有限，零个或多个数据元素组成的集合
• 表中元素具有逻辑上的顺序性，表中元素有其先后次序，数据元素在位置上是有序排列的
• 表中元素都是数据元素，每个元素都是单个元素，数据元素的个数是有限的
• 表中元素的数据类型都相同，这意味着每个元素占有相同大小的存储空间，数据元素的类型必须相同
• 表中元素具有抽象性，即仅讨论元素间的逻辑关系，而不考虑元素究竟表示什么内容。

注： 线性表是一种逻辑结构，表示元素之间一对一的相邻关系。顺序表和链表是指存储结构，两者属于不同层面的概念

1.3、线性表的性质

• A0为线性表的第一个元素，只有一个后继
• An-1为线性表的最后一个元素，只有一个前驱
• 除A0与An-1外的其它元素既有前驱又有后继
• 直接支持逐项访问和顺序存取

1.4、线性表的常用操作

一个数据结构的基本操作是指最核心、最基本的操作。其他较复杂的操作可以通过调用其基本操作来实现。线性表的主要操作如下：

• InitList(&L)：初始化表。构造一个空的线性表。
• Length(L):求表长。返回线性表L的长度，即L中数据元素的个数。
• LocateElem(L,e)：按值查找操作。在表L中查找具有给定关键字值的元素。
• GetElem(L,i)：按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。
• ListInsert(&L,i,e):插入操作，在表L中的第i个位置上插入指定元素e。
• ListDelete(&L,i,&e):删除操作，删除表L中的第i个位置的元素，并用e返回删除元素的值。
• PrintList(L)：输出操作。按前后顺序输出线性表L的所有元素值。
• Empty(L):判空操作。若L为空表，则返回true，否则返回false。
• DestroyList(&L):销毁操作。销毁线性表，并释放线性表L所占用的空间

二、线性表的顺序表示

2.1 顺序表的定义

线性表的顺序存储又称为顺序表。

它是用一组地址连续的存储单元依次存储线性表中的数据元素，从而使逻辑上相邻的两个元素在物理位置上也相邻。

第一个元素存储在线性表的起始位置，第i个元素的存储位置后面紧接着存储的是第i+1个元素，称i为元素ai在线性表中的位序。因此，顺序表的特点是表中元素的逻辑顺序与其物理顺序相同。

假设线性表L存储的起始位置为LOC(A)，sizeof(ElemType)是每个数据元素所占用存储空间的大小，则表L所对应的顺序存储如图所示。

注： 线性表中元素的位序是从1开始的，而数组中元素的下标是从0开始的。

#define InitSize 100
typedef struct{
   
   
    ElemType data[MaxSize];
    int length;
}SqList;

一维数组可以是静态分配的，也可以是动态分配的。在静态分配时，由于数组的大小和空间事先已经固定，一旦空间占满，再加入新的数据将会产生溢出，进而导致程序崩溃。

在动态分配时，存储数组的空间是在程序执行过程中通过动态存储分配语句分配的，一旦数据空间占满，就另外开辟一块更大的存储空间，用以替换原来的存储空间，从而达到扩充存储数组空间的目的，而不需要为线性表一次性地划分所有空间。

#define InitSize 100
typedef struct{
   
   
    Elemtype *data;
    int MaxSize,length;
}SqList;

c的初始动态分配语句为

L.data=(ElemType*)malloc(sizeof(ElemType)*InitSize)

c++的初始动态分配语句为

L.data=new ElemType[InitSize];

动态分配不是链式存储，它同样属于顺序存储结构，物理结构没有变化，依然是随机存取方式，只是分配的空间大小可以在运行时决定。

顺序表最主要的特点是随机访问，即通过首地址和元素序号可在时间O（1）内找到指定的元素。
顺序表的存储密度高，每个结点只存储数据元素。
顺序表逻辑上相邻的元素物理上也相邻，所以插入和删除操作需要移动大量元素。

2.2 顺序表上基本操作的实现

1、插入操作

在顺序表L的第i（1<=i<=L.length+1）个位置插入新元素e。若i的输入不合法，则返回false，表示插入失败；否则，将顺序表的第i个元素及其后的所有元素右移一个位置，腾出一个空位置插入新元素e，顺序表长度增加1，插入成功，返回true。

注： 区别顺序表的位序和数组下标。为何判断插入位置是否合法时if语句中用length+1，而移动元素的for语句中只用length。

• 最好情况： 在表尾插入（即i=n+1），元素后移语句不执行，时间复杂度为O(1)。
• 最坏情况： 在表头插入（即i=1），元素后移语句将执行n次，时间复杂度为O（n）。
• 平均情况： 假设pi (pi=1/(n+1))是在第i个位置上插入一个结点的概率，则在长度为n的线性表中插入一个结点时，所需移动结点的概率为：

因此，线性表插入算法的平均时间复杂度为O(n)。

2、删除操作

删除顺序表L中第i（1<=i<=L.length）个位置的元素，若成功则返回true，并将被删除的元素用引用变量e返回，否则返回false。

bool ListDelete (SqList &L,int i,ElemType &e){
    if(i<=1||i>L.length)
        return false;
    e=L.data[i-1];
    for (int j=i;j<L.length;j++)
        L.data[j-1]=L.data[j];
    L.length--;
    return true;
}

• 最好情况： 删除表尾元素（即i=n），无需移动元素，时间复杂度为O(1)。
• 最坏情况： 删除表头元素（即i=1），需移动除第一个元素外的所有元素，时间复杂度为O(n)。
  平均情况： 假设pi（pi=1/n）是删除第i个位置上结点的概率，则在长度为n的线性表中删除一个结点时，所需移动结点的平均次数为：
  

因此，线性表删除算法的平均时间复杂度为O(n)。

下图为一个顺序表在进行插入和删除操作前、后的状态，记忆其数据元素在存储空间中的位置变化和表长的变化。

3、按值查找（顺序查找）

在顺序表L中查找第一个元素值等于e的元素，并返回其位序。

int LocalElem(SqList L,ElemType e){
   
   
    int i;
    for(i=0;i<L.length;i++)
        if(L.data[i]==e)
            return i+1;
    return 0;
}

• 最好情况： 查找的元素就在表头，仅需要比较一次，时间复杂度为O(1)。
• 最坏情况： 查找的元素在表尾（或不存在时），需要比较n次，时间复杂度为O(n)。

平均情况： 假设pi（pi=1/n）是查找第i个位置上结点的概率，则在长度为n的线性表中查找值为e的元素所需要比较的平均次数为：

因此，线性表按值查找算法的平均时间复杂度为O(n)。

三、线性表的链式表示

顺序表可以随时存取表中的任意一个元素，它的存储位置可以用一个简单直观的公式表示，但插入和删除的操作需要移动大量元素。

链式存储线性表时，不需要使用地址连续的存储单元，即不要求逻辑上相邻的元素在物理位置上也相邻，它通过“链”建立起数据元素之间的逻辑关系，因此插入和删除操作不需要移动元素，而只需要修改指针，但也会失去顺序表可随机存取的优点。

3.1 单链表的定义

线性表的链式存储又称单链表，它是指通过一组任意的存储单元来存储线性表中的数据元素。

为了建立数据元素之间的线性关系，对每个链表结点，除存放元素自身的信息外，还需要存放一个指向其后继的指针。

单链表的结构如图所示：

其中data为数据域，存放数据元素；next为指针域，存放其后继结点的地址。

单链表中结点类型的描述如下：

typedef struct LNode{
   
   
    ElemType data;
    struct LNode *next;
}LNode,*LinkList;

利用单链表可以解决顺序表需要大量连续存储单元的缺点，但单链表附加指针域，也存在浪费存储空间的缺点。

由于单链表的元素离散的分布在存储空间中，所以单链表是非随机存取的存储结构，即不能直接找到表中某个特定的结点。查找某个特定的结点时，需要从表头开始遍历，依次查找。

通常用头指针 来标识一个单链表，如单链表L，头指针为NULL时，表示一个空表。

为了操作上的方便，在单链表第一个结点之前附加一个结点，称为头结点，头结点的数据域可以不设任何信息，也可以记录表长等信息。头结点的指针域指向线性表的第一个元素结点，如图所示：

头结点和头指针的区别：不管带不带头结点，头指针始终指向链表的第一个结点，而头结点是带头结点的链表中的第一个结点，结点内通常不存储信息。

引入结点后带来的优点：
（1）由于第一个数据结点的位置被存放在头结点的指针域中，所以在链表的第一个位置上的操作和在表的其他位置上操作一致，无需进行特殊处理。

（2）无论链表是否为空，其头指针都指向结点的非空指针（空表中头结点的指针域为空），因此空表和非空表的处理也就得到了统一。

3.2 单链表上基本操作的实现

1、采用头插法建立单链表

该方法从一个空表开始，生成新结点，并将读取到的数据存放到新结点的数据域中，然后将新结点插入到当前链表的表头，即头结点之后，如图所示：

头插法建立单链表的算法如下：

LinkList List_HeadInsert(LinkList &L){
    LNode *s; int x;
    L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode));
    L->next =NULL;
    scanf("%d",&x);
    while(x!=9999){
        s=(LNode*)malloc(sizeof(LNode));
        s->data=x;
        s->next=L->next;
        L->next=x;
        scanf("%d",&x);
    }
    return L;
}

采用头插法建立单链表时，读入数据的顺序与生成的链表中的元素的顺序是相反的。每个结点插入的时间为O(1)，设单链表长为n，则总时间复杂度为O(n)。

如果没有设立头结点，需要修改哪些地方？

因为在头部插入新结点，每次插入新结点后，需要将它的地址赋给头指针L。

2、采用尾插法建立单链表

头插法建立单链表的算法虽然简单，单生成的链表中结点的次序和输入数据的顺序不一致。若希望两者次序一致，可以采用尾插法。
该方法将新结点插入法到当前链表的尾表，为此必须增加一个尾指针r，使其始终指向当前链表的尾结点，如图所示：

尾插法建立单链表的算法如下：

LinkList List_TailInsert(LinkLiist &L){
    int x;
    L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode));   //是由系统生产一个LNode型的结点，同时在该结点的其实位置赋值给变量指针s。
    LNode *s,*r=L;
    scanf("%d",&x);
    while(x!=9999){
        s=(LNode*)malloc(sizeof(LNode));
        s->data=x;
        r->next=s;
        r=s;
        scanf("%d",&x);
    }
    r->next=NULL;
    return L;
}

因为附设了一个指向表尾结点的指针，故时间复杂度和头插法的相同为O(n)。

3、按序号查找结点值

LNode *GetElem(LinkList L,int i){
   
   
    int j=1;
    LNode *p=L->next;
    if(i==0)
        return L;
    if(i<1)
        return NULL;
    while(P&&j<i){
   
   
        p=p->next;
        j++;
    }
    return p;
}

按序号查找操作的时间复杂度为O(n)。

4、按值查找表结点

从单链表的第一个结点开始，由前往后一次比较表中各结点数据域的值，若某结点数据域的值等于给定值e，则返回该结点的指针；若整个单链表没有这样的结点，则返回NULL。

按值查找表结点的算法如下：

LNode *LocateElem(LinkList L,ElemType e){
   
   
    LMode *p=L->next;
    while(p!=NULL&&p->data!=e)
        p=p->next;
    return p;
}

按值查找操作的时间复杂度为O(n)。

5、插入结点操作

插入结点操作将值为x的新结点插入到单链表的第i个位置上。先检查插入位置的合法性，然后找到待插入位置的前驱结点，即第i-1个结点，再在其后插入新结点。
算法首先调用按序号查找算法GetElem(L,i-1)，查找第i-1个结点。
假设返回的第i-1个结点为 p，然后令新结点 s的指针域指向 p的后继结点，再令结点 p的指针域指向新插入的结点 *s。

操作过程如下所示：

实现插入结点的代码片段如下：
① p=GetElem(L,i-1);
② s->next=p->next;
③ p->next=s;

算法中，语句②和 ③的顺序不能颠倒，否则，当限制性p->next=s后，指向其原后继的指针就不存在，再执行s->next=p->next时，相当于执行了s->next=s,显然是错误的。

本算法主要的时间开销在于查找第i-1个元素，时间复杂度为O(n)，若在给定的结点后面插入新结点，则时间复杂度仅为O(1)。

扩展：对某一结点进行前插操作。

前插操作是指在某结点的前面插入一个新结点，后插操作的定义刚好与之相反。在单链表插入算法中，通常都采用后插操作。

以上面的算法为例，首先调用函数GetElem()找到第i-1个结点，即插入结点的前驱结点后，再对其执行后插操作。

由此可知，对结点的前插操作均可转化为后插操作，前提是从单链表的头结点开始顺序查找到其前驱结点，时间复杂度为O(n)。

还可以采用另一方式将其转化为后插操作来实现，设待插入结点为 s，将 s插入到 p的前面。仍然可以将 s插入到 *p的后面，然后将p->data 与s->data交换，这样既满足了逻辑关系，又能使时间复杂度为O(1)。

算法的代码片段如下：

//将*s结点插入到*p之前的主要代码片段
s->next=p->next;  //修改指针域，不能颠倒
p->next=s;
temp=p->data;   //交换数据域部分
p->data=s->data;
s->data=temp;

6、删除结点操作

删除结点操作是将单链表的第i个结点删除。先检查删除位置的合法性，后查找表中第i-1个结点，即被删除结点的前驱结点，再将其删除。其删除过程如图所示：

假设结点p为找到的被删结点的前驱结点，为实现这一操作后的逻辑关系的变化，仅需修改 p的指针域，即将 p 的指针域next指向 q 的下一结点。

实现删除结点的代码片段如下：

p=GetElem(L,i-1);
q=p->next;
p->next=q->next;
free(q);

和插入算法一样，该算法的主要时间也耗费在查找操作上，时间复杂度为O(n)。

扩展：删除节点*p

要删除某个给定结点*p，通常的做法是先从链表的头结点开始顺序找到其前驱结点，然后再执行删除操作，算法的时间复杂度为O(n)。

删除结点 p的操作可用删除p 的后继结点操作来实现，实质就是将其后继结点的值赋予其自身，然后删除后继结点，也能使得时间复杂度为O(1)。

实现上述操作代码片段如下：

q=p->next;
p->data=p->next->data;
p->next=q->next;
free(q);                  //有系统回收一个LNode型的结点，回收的空间可供再次生结点时用。

7、求表长操作

求表长操作就是计算单链表中数据结点（不含头结点）的个数，需要从第一个结点开始顺序依次访问表中的每个结点，为此要设计一个计数器变量，每访问一个结点，计数器加1，直到访问到空结点位置。算法时间复杂度为O(n)。

因为单链表的长度是不包括头结点的，因此不带头结点和带头结点的单链表在求表长操作上会略有不同。对不带头结点的单链表，当表为空时，要单独处理。

四、双链表

单链表结点中只有一个指向其后继的指针，使得单链表只能从头结点依次顺序地向后遍历。要访问某个结点的前驱结点（插入、删除操作时），只能从头开始遍历，访问后继结点的时间复杂度为O(1)，访问前驱结点的时间复杂度为O(n)。

为了克服单链表的缺点，引入双链表，双链表结点中有两个指针prior和next，分别指向其前驱结点和后继结点，如图所示

双链表结点类型描述如下：

typedef struct DNode{
        ElemType data;
        struct DNode *prior,*next;
}DNode,*DLinkList;

双链表在单链表的结点中增加了一个指向其前驱的prior指针，因此，双链表中的按值查找和按位查找的操作与单链表的相同。
但双链表在插入和删除的操作的实现上，与单链表由着较大的不同，这是因为“链”变化时也需要对prior指针做出修改，其关键是保证在修改的过程中不断链。此外，双链表可以很方便的找到其前驱结点，因此，插入、删除操作的时间复杂度为O(1)。

1、双链表的插入操作

在双链表中p所指的结点在之后插入结点*s，其指针的变化过程如图所示：

插入操作的代码片段如下：

①s->next=p->next;
②p->next->prior=s;
③s->prior=p;
④p->next=s;

上述代码的顺序不是唯一的，也不是任意的，①和②两步必须在④步之前，否则*p的后继结点的指针就会丢掉，导致插入失败。

2、双链表的删除操作

删除双链表中结点 p的后继结点 q，其指针变化过程如图所示：

删除操作代码片段如下：

p->next=q->next;
q->next->prior=p;
free(q);

在建立双链表的操作中，也可以采用如同单链表的头插法和尾插法，但在操作上需要注意指针的变化和单链表有所不同。

五、 循环链表

1、循环单链表

循环单链表和单链表的区别在于，表中最后一个结点的指针不是NULL，而改为指向头结点，从而整个链表形成一个环，如图所示：

在循环单链表中，表尾结点*r的next域指向L，故表中没有指针域为NULL的结点，因此，循环单链表的判空条件不是头结点的指针是否为空，而是它是否等于头指针。

循环单链表的插入、删除算法与单链表的几乎一样，所不同的是若操作在表尾进行，则执行的操作不同，以让单链表继续保持循环的性质。当然，正式因为循环单链表是一个环，因此，在任何一个位置上插入和删除的操作都是等价的，无需判断是否是表尾。

在单链表中只能从表头结点开始往后顺序遍历整个链表，而循环单链表可以从表中的任意一个结点开始遍历整个链表。

有时对单链表常做的操作是在表头和表尾进行的，此时对循环单链表不设头指针仅设尾指针，从而使操作效率更高。原因是，若设的是头指针，对表尾进行操作需要O(n)的时间复杂度，而若设的是尾指针r，r->next，即为头指针，对于表头与表尾进行操作都只需要O(1)的时间复杂度。

2、循环双链表

由循环单链表的定义不难退出循环双链表，不同的是在循环双链表中，头结点的prior指针还要指向表尾结点，如图所示：

在循环双链表中，某结点*p为尾结点时，p->next==L；当循环双链表为空表时，其头结点的prior域和next域都等于L。

六、静态链表

静态链表借助数组来描述线性表的链式存储结构，结点也有数据域data和指针域next，与前面说的链表中的指针不同的是，这里的指针是结点的相对地址（数组下标），又称游标。和顺序表一样，静态链表也要预先分配一块连续的内存空间。

静态链表和单链表的对应关系如图所示：

静态链表结构类型描述：

#define MaxSize 50
typedef struct{
    ElemType data;
    int next;
}SlinkList[MaxSize];

静态链表以next==1作为其结束的标志。静态链表的插入、删除操作与动态链表的相同，只需要修改指针，而不需要移动元素。

总体来说，静态链表没有单链表使用起来方便，但在一些不支持指针的高级语言（如Basic）中，是一种非常巧妙的设计方法。

七、顺序表与链表的比较

1、存取（读写）方式

顺序表可以顺序存取，也可以随机存取，链表只能从表头顺序存取元素。例如在第i个位置上执行或存取的操作，顺序表仅需一次访问，而链表则需从表头开始依次访问i次。

2、逻辑结构与物理结构

采用顺序存储时，逻辑上相邻的元素，对应的物理存储位置也相邻。而采用链式存储时，逻辑上相邻的元素，物理位置则不一定相邻，对应的逻辑关系是通过指针链接来表示的。

3、查找和删除操作

对于按值查找，顺序表无序时，两者的时间复杂度均为O(n)；顺续表有序时，可采用折半查找，此时的时间复杂度为O(log2n)。

对于按序号查找，顺序表支持随机访问，时间复杂度仅为O(1)，而链表的平均时间复杂度为O(n)。

顺序表的插入、删除操作，平津需要移动半个表长的元素。链表的插入、删除操作，只需修改相关

结点的指针域即可。由于链表的而每个结点都带有指针域，故而存储密度不够大。

4、空间分配

顺序存储在静态存储分配情形下，一旦存储空间装满就不能扩充，若再加入新元素，则会出现内存溢出，因此需要预先分配足够大的存储空间。

预先分配过大，可能会导致顺序表后部大量元素闲置；预先分配过小，又会造成溢出。

动态存储分配虽然存储空间可以扩充，但需要移动大量元素，导致操作效率降低，而且若内存中没有更大块的连续存储空间，则会导致分配失败。

链式存储的结点空间只在需要时申请分配，只要内存中有空间就可以分配，操作灵活、高效。

八、实际中应怎样选取存储结构

1、基于存储的考虑

难以估计线性表的长度或存储规模时，不宜采用顺序表，链表不用事先估计存储规模，但链表的存储密度较低，显然链式存储结构的存储密度是小于1的。

2、基于运算的考虑

在顺序表中按序号访问ai的时间复杂度为O(1)，而链表中按序号访问的时间复杂度为O(n)，因此，若经常做的运算时按序号访问数据元素，则显然顺序表优于链表。

在顺序表中进行插入、删除操作时，平均移动表中一般的元素，当数据元素的信息量较大且表较长时，这一点是不应忽视的；在链表中进行插入、删除操作时，虽然也要找插入位置，但操作主要是比较操作，从这个角度考虑显然后者优于前者。

3、基于环境的考虑

顺序表容易实现，任何高级语言中都有数组类型；链表的操作是基于指针的，相对来说，前者实现较为简单。

总之，两种存储结构各有长短，选择哪一种由实际问题的主要因素决定。通常较稳定的线性表选择顺序存储，而频繁进行插入、删除操作的线性表（即动态性较强）宜选择链式存储。

九、线性表的抽象实现

#ifndef LIST_H
#define LIST_H
#include "Object.h"
using namespace ScorpioStudio;
template <typename T>
class List:public Object
{
   
   
public:
  virtual bool insert(int index, const T& value) = 0;
  virtual bool remove(int index) = 0;
  virtual bool set(int index, const T& value) = 0;
  virtual bool get(int index, T& value) = 0;
  virtual int length()const = 0;
  virtual void clear() = 0;
};

#endif // LIST_H

Object.h:

#ifndef OBJECT_H
#define OBJECT_H

namespace ScorpioStudio
{
   
   
  class Object
  {
   
   
  public:
    void* operator new(unsigned int size) throw();
    void operator delete(void* p);
    void* operator new[](unsigned int size) throw();
    void operator delete[](void* p);

    virtual ~Object() = 0;
  };
}


#endif // OBJECT_H

Object.cpp:

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

namespace ScorpioStudio
{
   
   
  void* Object::operator new(unsigned int size) throw()
  {
   
   
    //cout << "Object::operator new" << endl;
    return malloc(size);
  }
  void Object::operator delete(void* p)
  {
   
   
    free(p);

  }
  void* Object::operator new[](unsigned int size) throw()
  {
   
   
      //cout << "Object::operator new[] " << size << endl;
      return malloc(size);
  }
  void Object::operator delete[](void* p)
  {
   
   
      free(p);
  }

  Object::~Object()
  {
   
   

  }
}