之前,我们已经学习了单链表,在实现单链表的过程中,也发现了单链表的缺陷。
比如在尾插时,需要找到尾结点;尾删时,需要找到尾结点的前一个节点;在任意位置删除时需要找到该位置前一个节点等等等…这些都需要用时间复杂度为 O(N)的算法来处理。
所以我们说,单链表 ,也就是单向无头非循环链表,是一个有缺陷的结构 ,它有时会作为其他数据结构的 子结构 。
基于单链表的这些缺陷,带头双向循环链表,也就是我们说的 双向链表 就完美的解决了 单链表 的这些问题。
1. 双向链表的概念
我们首先分析一下 双向链表 ,双向链表实际上就是 带头双向循环链表 。
之前我们说过链表的几种结构:带头 / 不带头,单向 / 双向,循环 / 非循环,而双向链表很明显就是这些结构中,最复杂结构 的集合。
它的主要表现就是,含有头结点 —— 有一个不存储有效数据的虚拟节点,链表永不为空,所以无需传二级指针,只需要改变节点之间的链接关系;双向 —— 可以通过一个节点直接找到上一个节点;循环 —— 链表头尾相连呈环状,链表中无空指针。
那么它的 结构 设计就必然有些特殊,由于是双向,所以要比 单链表 多一个 prev 用来找到上一个节点。同样的 单链表 有的 next、data 也必不可少;再考虑上它的循环结构,那么就需要最后一个节点的 next 能找到第一个节点,第一个节点的 prev 能找到最后一个节点。
我们可以大概画出它的 示意图:
从这幅图就可以看出,双向链表的结构十分完美,它完美解决了 单链表插入、删除数据时复杂的操作,加上存储单元之间的链接多样,让数据之间的管理变得非常简单!
那么它实现起来到底复不复杂呢,我们接下来就开始设计 双向链表 ,我们在实现的过程中感受!
2. 双向链表的实现
2.1 结构设计
双向链表 比 单链表 的结构多一个 prev
指针,用来记录上一个节点的地址。
typedef struct ListNode { LTDataType data; // 保存数据 struct ListNode* next; // 记录下一个节点的地址 struct ListNode* prev; // 记录上一个节点的地址 }LTNode;
2.2 接口总览
实现一个 双向链表 ,总共需要以下接口:
// 初始化 LTNode* ListInit(); // 使用返回值处理 // 打印 void ListPrint(LTNode* phead); // 尾插 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x); // 尾删 void ListPopBack(LTNode* phead); // 头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x); // 头删 void ListPopFront(LTNode* phead); // 查找元素 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x); // 双向链表在pos的前面进行插入 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x); // 双向链表删除pos位置的节点 void ListErase(LTNode* pos); // 销毁双向链表 void ListDestroy(LTNode* phead);
虽然接口和 单链表 差不多,但是这些接口的实现,远远比单链表 简单 地多~
而且这里有一个特殊的地方就是函数传参时,初始化接口参数 无参 ,其他接口传的是 一级指针 ,这是为什么?
首先需要明确的一点是,双向链表是带头的,含有一个头结点,就是我们单链表中提到的 哨兵位 。哨兵位不存储 有效数据 ,存在哨兵位链表就不为空,并使实现接口时更加方便。需要注意的是 只要存在哨兵位,链表的第一个节点就是哨兵位后面第一个节点 。
初始化函数 无参。双向链表初始化只需要创建哨兵位,然后得到哨兵位即可。在这里我也同样可以使用二级指针来操作,但是为了配合下面的接口函数,就不那么“突出”了~
其他接口参数传 一级指针,是因为我在进行相应的操作时,由于哨兵位不存储有效数据并且我并不需要改变哨兵位,所以我只需要找到哨兵位然后改变它的链接关系就可以,所以 不需要二级指针 。
2.3 初始化
创建一个 哨兵位 节点。
双向链表 在只有一个哨兵位时,让它自己指向自己。哨兵位的 next
指向它自己的prev
,哨兵位的 prev
指向它自己的 next
。说白了就是一个特殊的环形链表。
由于我们这里使用的是返回值的形式,所以只要创建返回就可以。
// 初始化 LTNode* ListInit() { LTNode* phead = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode)); // 双向带头循环链表的prev指向next,next指向prev // 但是这里只有一个节点,所以只能让它自己指向自己 if (phead == NULL) { perror("ListInit"); exit(-1); } phead->next = phead; phead->prev = phead; return phead; }
2.4 创建新节点
当 双向链表 需要插入元素时,需要创建节点。这就很简单,直接 malloc
开辟,然后把值存入,两个指针给为空指针,然后返回节点就行。
// 创建新节点 LTNode* BuyListNode(LTDataType x) { LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode)); if (newnode == NULL) { perror("ListPushBack"); exit(-1); } newnode->data = x; newnode->next = NULL; newnode->prev = NULL; return newnode; }
2.5 尾插
为什么说 双向链表 很完美,实现也比单链表 简单 ,从尾插就能看出来。
我们 单链表 的尾插,在链表为空时,需要特殊处理;在平常插入时,需要找到 尾结点 ,改变尾结点的链接。
对于 双向链表 的尾结点,就是哨兵位的 prev ,将其拷贝一份,放在 tail 中,然后将 tail 的 next 链接至新节点 newnode ,然后将 newnode 的 prev 链接到 tail。在处理一下 newnode 的 prev 和 tail 的链接就可以了~ 且这些步骤没有先后顺序 ~
怎么样,单链表 要 O(N) 的时间复杂度的尾插,在这里只需要用 O(1) 就可以完成,是不是简单多了?
// 尾插 void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead);// 一定不为空-->有哨兵位 LTNode* tail = phead->prev;// 尾就是prev,由于是双向循环链表,所以头的prev就是尾 LTNode* newnode = BuyListNode(x); // phead tail newnode tail->next = newnode; newnode->prev = tail; newnode->next = phead; phead->prev = newnode; }
2.6 头插
对于 头插 来说,首先需要创建节点。
然后将哨兵位的后一个节点,即链表实际上的 第一个节点 phead->next,给定一个新节点 newnode 。然后将 newnode 的 prev 链接到 哨兵位。再将 newnode 的 next 给定为先前的第一个节点 next 。然后改变该节点 (next)的 prev 和 newnode 的链接关系。
// 头插 void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); LTNode* newnode = BuyListNode(x); LTNode* next = phead->next; phead->next = newnode; newnode->prev = phead; newnode->next = next; next->prev = newnode; }
2.7 尾删
对于 双向链表 的尾删,只要找到尾结点的前一个节点改变它和哨兵位的连接关系即可。
如果要找到尾结点的前一个节点,那么我只需要通过 哨兵位 的 prev
找到 尾,在通过 尾 的 prev
就可以找到 尾结点的前一个节点。然后调整这个节点和哨兵位的链接关系,然后 释放尾结点 就可以了。
但是要注意,当链表只有哨兵位的时候不能进行删除!!!
// 尾删 void ListPopBack(LTNode* phead) { assert(phead); assert(phead->next != phead);// 防止把哨兵位删掉 LTNode* tail = phead->prev; LTNode* tailprev = tail->prev; free(tail); phead->prev = tailprev; tailprev->next = phead; }
2.8 头删
对于头删来说,我需要删除链表的第一个节点,也就是 哨兵位的 next
节点 ,我需要改变 哨兵位 和 第二个节点 的链接关系,然后释放 第一个节点 。总体来说也很简单~
void ListPopFront(LTNode* phead) { assert(phead); assert(phead->next != phead); LTNode* next = phead->next; LTNode* nextNext = next->next; phead->next = nextNext; nextNext->prev = phead; free(next); }
2.9 查找
对于查找一个元素在 双向链表 中存不存在,那肯定是采用遍历链表的形式。
但是对于 双向链表 来说,它是没有指向 NULL
的节点的,它是一个环,停不下来。所以我们要把循环的截止条件设定为 != phead
,这个条件就表示,已经遍历过一遍链表了,走到哨兵位了。
如果找到,返回该节点的地址;如果找不到返回 NULL
。
// 查找 LTNode* ListFind(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); LTNode* cur = phead->next; while (cur != phead) { if (cur->data == x) { return cur; } cur = cur->next; } return NULL; }
2.10 在pos位置之前插入
在 pos
位置之前插入,那么通过 pos
的 prev
找到 pos
位置的上一个节点 posPrev
,然后改变 posPrev
和 新节点 newnode
之间的链接和 newnode
和 pos
之间的链接。和头插尾插思路大致相同。
// 在pos位置之前插入 void ListInsert(LTNode* pos, LTDataType x) { assert(pos); LTNode* newnode = BuyListNode(x); LTNode* posPrev = pos->prev; newnode->prev = posPrev; posPrev->next = newnode; newnode->next = pos; pos->prev = newnode; }
那么有了这个接口,那么我们就可以把它 复用 于 尾插 和 头插。
对于 尾插 来说, pos
位置就是 phead
,因为 phead
的前面就是链表的尾,在 phead
位置前插入,就是尾插:
void ListPushBack(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); ListInsert(phead, x); }
对于 头插 来说,pos
位置就是 phead->next
,为第一个节点的前面,在 phead->next
位置前插入,就是头插:
void ListPushFront(LTNode* phead, LTDataType x) { assert(phead); ListInsert(phead->next, x); }