【数据结构/C语言】深入理解双向链表-阿里云开发者社区

一、双向链表的基本概念

双向链表的简介

双向链表是一种常见的数据结构，与单向链表类似，但它允许我们从两个方向遍历链表：向前和向后。每个节点包含三个部分：一个数据元素和两个指针，一个指向链表中的前一个节点，另一个指向链表中的下一个节点。

一般情况下，我们所说的双向链表指的是带头节点，双向，循环链表，以下若无特殊说明，均代表此含义。

以下是常见的单链表与双链表的图示及区别

双向链表的特点

双向遍历：由于每个节点都包含指向前一个节点和下一个节点的指针，因此我们可以从链表的任何一个节点开始，向前或向后遍历链表。

插入和删除操作：在双向链表中插入或删除节点通常比单向链表更加高效，因为我们可以直接访问要插入或删除节点的前一个和/或后一个节点，从而避免了对链表的遍历。

空间效率：与数组相比，双向链表在内存使用上更加灵活。链表可以在运行时动态地分配和释放内存，而不需要预先分配固定大小的内存块。

双向链表的优缺点

优点

动态分配内存，空间效率高。

插入和删除操作效率高，特别是当知道要操作节点的位置时。

可以从两个方向遍历链表。

缺点

相对于数组，链表在内存使用上可能不够紧凑，因为每个节点都需要额外的空间来存储指针。

访问链表中特定位置的元素需要从头或尾开始遍历链表，这可能导致效率较低（尽管可以使用哈希表等数据结构来优化访问速度）。

二、双向链表的结构

双向链表节点的结构

双向链表中的每个节点通常包含以下部分：

数据元素：可以是任何类型的数据，如整数、浮点数、字符串或对象。

prev 指针：指向前一个节点的指针。

next 指针：指向下一个节点的指针。

typedef int LTDataType;//数据类型重定义，可以是任意数据类型
typedef struct ListNode//双向链表节点结构
{
  LTDataType data;//数据
  struct ListNode* prev;//指向前一个节点的指针
  struct ListNode* next;//指向下一个节点的指针
}LTNode;

双向链表的整体结构

相比单链表只有独立存在的每个节点，双向链表多了哨兵位节点，该节点作为头结点，不存储有效数据，只有指向第一个有效节点的next指针和指向尾节点的prev指针。

只要链表存在，哨兵位节点就存在

三、双向链表的实现方法

1.双向链表的初始化

双向链表的初始化也就是创建一个哨兵位节点，所以实现初始化之前需要先封装一个节点申请函数

单独封装的申请节点函数

动态申请节点大小的空间

判空

通过形参接受的数据初始化节点数据部分

next指针和prev指针都指向自身（因为双向链表是循环链表）

返回节点地址

LTNode* NewNode(LTDataType x)//申请节点
{
  LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("NewNode\n");
    exit(1);
  }
  newnode->data = x;//根据参数初始化数据
  newnode->next = newnode->prev = newnode;//两个指针初始都指向自身
  return newnode;
}

双向链表初始化

调用申请节点函数创建一个哨兵位节点，作为链表的头结点

返回链表头结点地址

注意：

双向链表因为有哨兵位的存在，链表始终不为空，哨兵位节点不会被改变，所以不再需要传递地址，以及用二级指针接收。这一点区别于单链表实现

LTNode* LTInit()            //链表初始化
{
  LTNode* newnode = NewNode(-1);
  return newnode;
}

2.双向链表的头插

双向链表头插

头插就是将新节点插入到哨兵位节点和第一个有效节点之间

形参接收一个哨兵位地址和要插入的数据

首先对哨兵位地址判空，判断链表结构是否正常

申请新节点，存入要插入的数据

接下来是移动指针

一般情况下应当先调整新节点的指针，因为新节点指针调整不会影响到原链表:

新节点prev指向哨兵位，next指向哨兵位的next所指向节点

然后，调整第一个有效节点的prev指针，不再指向哨兵位而是指向新节点；调整哨兵位next指针，不再指向原来的第一个有效节点，而是指向新节点

新节点插入完成

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)//头插
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请节点
 
  newnode->next = phead->next;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = phead;
 
  phead->next->prev = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  phead->next = newnode;
 
}

3.双向链表的尾插

双向链表尾插

尾插就是将新节点插入到原链表最后一个节点和哨兵位之间

首先对哨兵位地址判空，判断链表结构是否正常

申请新节点，存入要插入的数据

调整指针:

新节点next指向哨兵位节点，prev指向原链表最后一个有效节点（哨兵位prev所指向的节点）

原链表最后一个有效节点的next指向新节点

哨兵位prev指向新节点

新节点尾差完成

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)//尾插
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请节点
 
  newnode->next = phead;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = phead->prev;
 
  phead->prev->next = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  phead->prev = newnode;
}

4.双向链表的头删

双向链表头删

头删就是将双向链表第一个有效节点删除

（头删的前提是链表至少存在一个有效节点）

首先创建一个指针del指向要删除的节点（哨兵位节点next指向的节点）

然后将第二个有效节点的prev指针指向哨兵位节点

哨兵位节点的next指针指向第二个有效节点

指针修改完成，此时第二个有效节点成为链表的第一个有效节点，释放del指向的节点

（如果删除之前链表只有一个节点，删除完之后只剩下一个哨兵位节点，两个指针都指向自己）

void LTPopFront(LTNode* phead)    //头删
{
  assert(phead && phead->next != phead);//判空
  LTNode* del = phead->next;//暂时存储要删除的节点
 
  del->next->prev = phead;//移动指针
  phead->next = del->next;
 
  free(del);//释放节点空间
  del = NULL;
}

5.双向链表的尾删

双向链表尾删

尾删就是将双向链表的最后一个有效节点删除

（尾删的前提是至少存在一个有效节点）

首先创建一个指针del指向要删除的节点（哨兵位prev指向节点）

然后将倒数第二个节点的next指针指向哨兵位

将哨兵位的prev指针指向倒数第二个节点

指针修改完成，此时倒数第二个节点成为最后一个节点，释放del指向的节点

（如果删除之前链表只有一个节点，删除完之后只剩下一个哨兵位节点，两个指针都指向自己）

void LTPopBack(LTNode* phead)   //尾删
{
  assert(phead && phead->next != phead);//判空
  LTNode* del = phead->prev;//暂时存储要删除的节点
 
  del->prev->next = phead;//移动指针
  phead->prev = del->prev;
 
  free(del);//释放节点空间
  del = NULL;
}

6.查找节点

双向链表查找（根据数据查找节点）

首先对哨兵位地址判空，否则可能对空地址解引用

创建一个遍历链表的指针，从第一个有效节点开始，将节点数据与要查找的数据进行比对，如果相同返回节点地址

出循环，说明未找到，返回NULL

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)//查找节点
{
  assert(phead);//判空
 
  LTNode* pcur = phead->next;//遍历链表的指针
 
  while (pcur!= phead)
  {
    if (pcur->data == x)
      return pcur;
    pcur = pcur->next;
  }
  return NULL;
}

7.在指定位置之前插入节点

双向链表在指定位置之前插入节点：

插入的前提是指定位置存在

申请新节点，存入要插入的数据

调整指针:

临时创建一个指针prev指向指定位置节点的perv指向节点

新节点next指针指向指定位置节点，prev指针指向prev节点

然后再修改原链表指针:

指定位置节点的prev指针指向新节点，prev节点的next指针指向新节点

新节点插入完成

void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)//在pos位置之前插入数据
{
  assert(pos);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请新节点
 
  newnode->next = pos;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = pos->prev;
 
  pos->prev->next = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  pos->prev = newnode;
 
}

8.删除指定位置节点

双向链表删除指定位置节点

删除指定节点的前提是该节点必须存在

首先创建一个指针del指向要删除的节点

然后将该节点的前一个结点的next指针指向它的后一个节点，后一个节点的prev指针指向他的前一个节点

释放该节点

（如果删除之前链表只有一个节点，删除完之后只剩下一个哨兵位节点，两个指针都指向自己）

void LTErase(LTNode* pos)//删除指定位置节点
{
  assert(pos);//判空
  pos->next->prev = pos->prev;//改变要删除节点的前后节点指针指向
  pos->prev->next = pos->next;
 
  free(pos);
  pos = NULL;
 
}

9.打印链表数据

双向链表数据打印

首先对地址判空，防止对空地址解引用

创建一个遍历链表的指针，从第一个有效节点打印数据，然后向后移动，直到指针遍历到哨兵位

void LTPrint(LTNode* phead)  //链表数据打印
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* pcur = phead->next;//遍历链表的指针
 
  while (pcur != phead)//打印数据
  {
    printf("%d->", pcur->data);
    pcur = pcur->next;
  }
  printf("\n");
}

10.双向链表销毁

双向链表的销毁

从第一个有效节点开始，创建指针循环遍历链表:

创建next指针临时保存下一个节点，释放本节点，遍历指针指向next节点

循环至有效节点全部被释放

然后将哨兵位节点释放，指针置空，销毁完成

注意：

为了与其他配套函数的参数保持一致，这里的参数本该用二级指针接收，却用一级指针接收。出函数后，需要手动将哨兵位指针置空

四、C语言实现代码及测试

DouSlist.h 双链表头文件

//DouSlist.h 双链表头文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
 
typedef int LTDataType;//数据类型重定义，可以是任意数据类型
typedef struct ListNode//双向链表节点结构
{
  LTDataType data;//数据
  struct ListNode* prev;//指向前一个节点的指针
  struct ListNode* next;//指向下一个节点的指针
}LTNode;
 
LTNode* NewNode(LTDataType x);//申请节点
LTNode* LTInit();             //链表初始化
 
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);//头插
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);//尾插
 
void LTPopBack(LTNode* phead);    //尾删
void LTPopFront(LTNode* phead);   //头删
 
 
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);//查找节点
 
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);//在pos位置之后插入数据
void LTErase(LTNode* pos);//删除指定位置节点
 
void LTPrint(LTNode* phead);  //链表数据打印
void LTDestroy(LTNode* phead);//链表销毁

DouSList.c 双链表源文件

//DouSList.c  双链表源文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"DouSList.h"
 
LTNode* NewNode(LTDataType x)//申请节点
{
  LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("NewNode\n");
    exit(1);
  }
  newnode->data = x;//根据参数初始化数据
  newnode->next = newnode->prev = newnode;//两个指针初始都指向自身
  return newnode;
}
LTNode* LTInit()            //链表初始化
{
  LTNode* newnode = NewNode(-1);
  return newnode;
}
void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)//头插
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请节点
 
  newnode->next = phead->next;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = phead;
 
  phead->next->prev = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  phead->next = newnode;
 
}
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)//尾插
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请节点
 
  newnode->next = phead;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = phead->prev;
 
  phead->prev->next = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  phead->prev = newnode;
}
 
 
void LTPopFront(LTNode* phead)    //头删
{
  assert(phead && phead->next != phead);//判空
  LTNode* del = phead->next;//暂时存储要删除的节点
 
  del->next->prev = phead;//移动指针
  phead->next = del->next;
 
  free(del);//释放节点空间
  del = NULL;
}
 
void LTPopBack(LTNode* phead)   //尾删
{
  assert(phead && phead->next != phead);//判空
  LTNode* del = phead->prev;//暂时存储要删除的节点
 
  del->prev->next = phead;//移动指针
  phead->prev = del->prev;
 
  free(del);//释放节点空间
  del = NULL;
}
 
LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)//查找节点
{
  assert(phead);//判空
 
  LTNode* pcur = phead->next;//遍历链表的指针
 
  while (pcur!= phead)
  {
    if (pcur->data == x)
      return pcur;
    pcur = pcur->next;
  }
  return NULL;
}
 
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)//在pos位置之前插入数据
{
  assert(pos);//判空
  LTNode* newnode = NewNode(x);//申请新节点
 
  newnode->next = pos;//改变新节点指针指向
  newnode->prev = pos->prev;
 
  pos->prev->next = newnode;//改变原链表相关节点指针指向
  pos->prev = newnode;
 
}
 
void LTErase(LTNode* pos)//删除指定位置节点
{
  assert(pos);//判空
  pos->next->prev = pos->prev;//改变要删除节点的前后节点指针指向
  pos->prev->next = pos->next;
 
  free(pos);
  pos = NULL;
 
}
 
void LTPrint(LTNode* phead)  //链表数据打印
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* pcur = phead->next;//遍历链表的指针
 
  while (pcur != phead)//打印数据
  {
    printf("%d->", pcur->data);
    pcur = pcur->next;
  }
  printf("\n");
}
 
void LTDestroy(LTNode* phead)//链表销毁
{
  assert(phead);//判空
  LTNode* pcur = phead->next;//遍历链表的指针
 
  while (pcur != phead)//从第一个有效节点开始，逐个释放节点
  {
    LTNode* next = pcur->next;
    free(pcur);
    pcur = next;
  }
  free(phead);//释放哨兵位节点
  phead = NULL;
 
}

test.c 测试文件及测试结果

//test.c   测试文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"DouSList.h"
 
void test1()
{
  LTNode* plist = LTInit();       //链表初始化
  LTPushFront(plist,1 );//头插
  LTPushFront(plist,2 );//头插
  LTPrint(plist);  //链表数据打印
  LTPushBack(plist, 3);//尾插
  LTPushBack(plist, 4);//尾插
  LTPrint(plist);  //链表数据打印
 
  LTPopBack(plist);   //尾删
  LTPopFront(plist);    //头删
  LTPrint(plist);  //链表数据打印
 
  LTNode* pos=LTFind(plist, 3);//查找
  LTInsert(pos, 5);//在pos位置之后插入数据
  LTPrint(plist);  //链表数据打印
 
 
  LTErase(pos);//删除指定位置节点
  pos = NULL;
 
  LTPrint(plist);  //链表数据打印
 
  LTDestroy(plist);//链表销毁
  plist = NULL;
}
int main()
{
  test1();
  return 0;
}

五、双向链表的应用场景

双向链表在许多场景中都非常有用，包括：

LRU 缓存淘汰策略：在操作系统和数据库等系统中，双向链表经常用于实现最近最少使用（LRU）缓存淘汰策略。当缓存满时，最久未使用的项（即链表尾部的项）将被删除。

双向队列：双向链表也可以用作双向队列（Deque），支持从队列的前端和后端添加和删除元素。

撤销/重做功能：在文本编辑器或图形编辑器中，双向链表可以用于实现撤销和重做功能。每当用户执行一个操作时，该操作可以作为一个节点添加到链表的前端。当用户选择撤销时，可以从链表的前端删除一个节点；当用户选择重做时，可以从链表的已删除节点列表中恢复一个节点。

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一、双向链表的基本概念

双向链表的简介

双向链表的特点

双向链表的优缺点

二、双向链表的结构

双向链表节点的结构

双向链表的整体结构

三、双向链表的实现方法

1.双向链表的初始化

2.双向链表的头插

3.双向链表的尾插

4.双向链表的头删

5.双向链表的尾删

6.查找节点

7.在指定位置之前插入节点

8.删除指定位置节点

9.打印链表数据

10.双向链表销毁

四、C语言实现代码及测试

DouSlist.h 双链表头文件

DouSList.c 双链表源文件

test.c 测试文件及测试结果

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4.双向链表的头删

5.双向链表的尾删

6.查找节点

7.在指定位置之前插入节点

8.删除指定位置节点

9.打印链表数据

10.双向链表销毁

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