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【数据结构】手把手教你单链表（c语言）（附源码）

2024-11-05 43
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简介： 本文介绍了单链表的基本概念、结构定义及其实现方法。单链表是一种内存地址不连续但逻辑顺序连续的数据结构，每个节点包含数据域和指针域。文章详细讲解了单链表的常见操作，如头插、尾插、头删、尾删、查找、指定位置插入和删除等，并提供了完整的C语言代码示例。通过学习单链表，可以更好地理解数据结构的底层逻辑，提高编程能力。

前言

       之前我们学习了顺序表，基于顺序表的结构和实现方式，它有以下缺陷：


1.指定位置、头部的插入/删除的时间复杂度是O(N)，效率并不是很高。


2.在增容时，需要申请额外的空间，当连续的空间不足时，就需要重新开辟空间并且拷贝数据，消耗较大。


3.由于增容操作每次都是以2倍的形式增长，所以势必会造成一定的空间浪费。


鉴于上述数组操作的局限性，我们有必要引入单链表这一更为灵活高效的数据结构。


1.单链表的概念与结构

链表的概念：链表是一种数据内存地址不连续、但是逻辑顺序连续的数据结构。它的逻辑顺序由链表中节点的指针相连接。


节点：由两部分组成：存储数据元素的部分称之为“数据域”，存放其他节点地址的部分称之为“指针域”。每一个数据元素存放于一个“节点”中。


而单链表，也叫做单向链表，它的节点的指针域中存放的是下一个节点的地址。这样节点与节点之间互相连接，就像链条一样将数据串联起来。


单链表的结构如图：



可以看到，单链表就像火车一样，而每一个节点就相当于是一节车厢，它们之间用指针串联在一起。注意：单链表只能做到由前一个节点找到后一个节点，无法逆转；最后一个节点的指针域为空指针。


2.单链表的结构定义

       我们在定义单链表的结构时，定义的是它的节点的结构。代码如下：

typedef int SLTDataType;
 
//定义单链表的节点
typedef struct SListNode
{
    SLTDataType data;//数据域
    struct SListNode* next;//指针域
}SLTNode;

可以看到，它的指针域是指向自己本身类型的指针，这种定义方式也叫做结构体的自引用。它可以使得该节点能够存放一个相同类型节点的地址，并且进行访问操作。


3.单链表的实现

3.1 单链表的方法声明

       单链表的一些常用方法的声明如下：

//打印链表
void SLTPrint(SLTNode* phead);
 
//创建新节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType n);
 
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType n);
 
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType n);
 
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);
 
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);
 
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType n);
 
//指定位置之前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType n);
 
//指定位置之后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType n);
 
//删除指定位置节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
 
//销毁链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead);

接下来，我们尝试逐一实现以上方法。


3.2 单链表方法实现

3.2.1 打印链表

       打印链表时，我们需要定义一个指针，通过它遍历链表并访问它的数据元素：

//打印链表
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
    SLTNode* cur = phead;//定义指针指向头节点
    while (cur != NULL)//最后一个节点的next为空，cur等于空则说明遍历结束
    {
        printf("%d ", cur->data);//访问数据并打印
        cur = cur->next;//对cur解引用拿到下一个节点的地址，然后赋值给cur，cur就指向了下一个节点
    }
    printf("\n");
}

这里我们需要注意理解语句“cur = cur->next”，由于next存放的是下一个节点的地址，所以将其赋值给cur，cur就指向了下一个节点，循环往复，就达到了遍历的效果。

3.2.2 创建新节点

       在我们进行元素插入操作时，往往要将数据存放在一个节点当中，然后将这个节点插入链表。所以我们将创建节点的操作封装成一个函数：

//创建新节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType n)
{
    SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));//动态开辟一个节点大小的内存
    if (newnode == NULL)//内存开辟失败，则直接退出程序
    {
        perror("malloc");
        exit(1);
    }
    newnode->data = n;//将数据赋值给节点的数据域
    newnode->next = NULL;//为了确保链表末尾为空指针，所以创建的所有节点默认next为空
    return newnode;//将节点返回
}

3.2.3 尾插

       接下来我们学习尾插操作。既然要在链表尾部插入数据，那么就需要我们顺着链表的头节点找到尾部的节点，然后将其指针域指向我们的新节点就好。代码如下：

//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType n)
{
    assert(pphead);
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);//创建新节点
    if (*pphead == NULL)//头指针为空说明链表为空
    {
        //链表为空，此时插入第一个元素，需要将头指针指向新节点，
        //而在函数内修改头指针就要传入头指针的地址，也就是二级指针
        *pphead = newnode;
    }
    else//链表不为空的情况
    {
        SLTNode* cur = *pphead;
        while (cur->next != NULL)//从头节点开始，循环遍历找到最后一个节点
        {
            cur = cur->next;
        }
        cur->next = newnode;//将新节点的地址赋值给最后一个节点的指针域
    }
}

这里需要注意：当链表为空时，如果我们进行循环遍历，就会发生对空指针解引用的错误，所以直接使头指针指向新节点就好。由于要在函数体内改变参数的值，并且参数是一个一级指针变量，所以要传入一级指针的地址，也就是二级指针。


3.2.4 头插

       对于头插操作，我们需要将新节点的next指向原来的第一个节点，然后将头指针指向新节点。


我们画图表示一下：



代码实现：

//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType n)
{
    assert(pphead);//确保传入的不是空指针
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);//创建新节点
    newnode->next = *pphead;//使新节点的next指针指向原来的第一个节点
    *pphead = newnode;//头指针指向新节点
}

注意：最后两句代码的顺序不能颠倒，因为如果先让头指针指向新节点，原来的链表的地址就会丢失，无法访问到了。


3.2.5 尾删

       进行尾删操作时，我们也需要遍历链表，找到链表的末尾并释放内存。实际操作要做一些特殊情况和细节的处理：

//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead && *pphead);//确保传入的不是空指针并且链表不为空
    if ((*pphead)->next = NULL)//链表只有一个节点的情况
    {
        free((*pphead)->next);//释放该节点的空间
        *pphead == NULL;//改变了头节点的值，所以也要传二级指针
    }
    else//节点大于1的情况
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next->next != NULL)//循环遍历，使prev指向倒数第二个节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        free(prev->next);//释放最后一个节点的空间
        prev->next = NULL;//将此时的最后一个节点的next制为空
    }
}

3.2.6 头删

       对于头删操作，我们需要记录第二个节点，然后再将第一个节点释放，最后使头指针指向记录的节点即可。当链表只有一个节点时，我们记录的就是NULL，最后将NULL赋值给头指针也合情合理。无需分类讨论。

//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead && *pphead);
    SLTNode* next = (*pphead)->next;//保存第二个节点的地址/空指针（只有一个节点时）
    free(*pphead);//释放第一个节点的空间
    *pphead = next;//让头指针指向刚才保存的节点/空指针，也要传二级指针
}

3.2.7 查找

       查找操作十分简单，只需要遍历链表，如果有匹配的节点，将其地址返回即可。

//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType n)
{
    SLTNode* cur = phead;
    while (cur != NULL)//遍历链表的所有节点
    {
        if (cur->data == n)//匹配成功，返回该节点的地址
        {
            return cur;
        }
        cur = cur->next;
    }
    return NULL;//没有找到，返回空指针
}

3.2.8 指定位置之前插入

       进行指定位置之前插入时，要进行分类讨论：如果指定位置是头节点，则进行头插；其他情况遍历找到该节点的前驱节点prev，然后进行插入操作：



代码实现：

//指定位置之前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType n)
{
    assert(pphead && pos);
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);
    if (*pphead == pos)//指定位置是头节点的情况
    {
        //进行头插
        newnode->next = *pphead;
        *pphead = newnode;
    }
    else
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next != pos)//遍历找到pos节点的前驱节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        newnode->next = pos;//新节点的next指针指向pos
        prev->next = newnode;//前驱节点的next指针指向新节点
    }
}

3.2.9 指定位置之后插入

       对于指定位置之后插入元素，由于已经找到了前驱节点和后继节点，相比就没有那么麻烦了，只需要直接插入即可。



代码实现：

//指定位置之后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType n)
{
    assert(pos);//确保pos不为空指针
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);
    newnode->next = pos->next;//newnode的next指向后继节点
    pos->next = newnode;//前驱节点的next指向newnode
}

3.2.10 删除指定位置的节点

       对于指定位置的删除，我们需要分类讨论：如果此位置是头节点，就进行头删；否则就要找到其前驱节点和后继节点，然后进行删除操作。



//删除指定位置节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
    assert(pphead && pos && *pphead);//确保传入的不是空指针并且链表不为空
    if (pos == *pphead)//指定位置是头节点情况
    {
        //头删
        *pphead = pos->next;//先使头指针指向第二个节点
        free(pos);//释放掉pos节点
    }
    else
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next != pos)//循环遍历，找到pos的前驱节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        prev->next = pos->next;//使前驱节点的next指针指向pos的后继节点
        free(pos);//释放掉pos节点
    }
    pos = NULL;//对野指针及时制空
}

3.2.11 销毁链表

       当我们使用完链表之后，应当及时释放掉链表的所有节点内存，这个过程称之为销毁链表。代码如下：

//销毁链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead);
    SLTNode* cur = *pphead;//从头节点开始遍历
    while (cur != NULL)
    {
        SLTNode* next = cur->next;//先记录下一个节点
        free(cur);//释放当前节点
        cur = next;//释放后，cur指向记录的节点
    }
    *pphead = NULL;//将头指针制空
}

4.程序全部代码

       程序全部代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
 
typedef int SLTDataType;
 
//定义单链表的节点
typedef struct SListNode
{
    SLTDataType data;//数据域
    struct SListNode* next;//指针域
}SLTNode;
 
//打印链表
void SLTPrint(SLTNode* phead);
 
//创建新节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType n);
 
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType n);
 
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType n);
 
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);
 
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);
 
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType n);
 
//指定位置之前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType n);
 
//指定位置之后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType n);
 
//删除指定位置节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
 
//销毁链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead);
 
//打印链表
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{
    SLTNode* cur = phead;//定义指针指向头节点
    while (cur != NULL)//最后一个节点的next为空，cur等于空则说明遍历结束
    {
        printf("%d ", cur->data);//访问数据并打印
        cur = cur->next;//对cur解引用拿到下一个节点的地址，然后赋值给cur，cur就指向了下一个节点
    }
    printf("\n");
}
 
//创建新节点
SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType n)
{
    SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));//动态开辟一个节点大小的内存
    if (newnode == NULL)//内存开辟失败，则直接退出程序
    {
        perror("malloc");
        exit(1);
    }
    newnode->data = n;//将数据赋值给节点的数据域
    newnode->next = NULL;//为了确保链表末尾为空指针，所以创建的所有节点默认next为空
    return newnode;//将节点返回
}
 
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SLTDataType n)
{
    assert(pphead);
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);//创建新节点
    if (*pphead == NULL)//头指针为空说明链表为空
    {
        //链表为空，此时插入第一个元素，需要将头指针指向新节点，
        //而在函数内修改头指针就要传入头指针的地址，也就是二级指针
        *pphead = newnode;
    }
    else//链表不为空的情况
    {
        SLTNode* cur = *pphead;
        while (cur->next != NULL)//从头节点开始，循环遍历找到最后一个节点
        {
            cur = cur->next;
        }
        cur->next = newnode;//将新节点的地址赋值给最后一个节点的指针域
    }
}
 
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SLTDataType n)
{
    assert(pphead);//确保传入的不是空指针
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);//创建新节点
    newnode->next = *pphead;//使新节点的next指针指向原来的第一个节点
    *pphead = newnode;//头指针指向新节点
}
 
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead && *pphead);//确保传入的不是空指针并且链表不为空
    if ((*pphead)->next = NULL)//链表只有一个节点的情况
    {
        free((*pphead)->next);//释放该节点的空间
        *pphead == NULL;//改变了头节点的值，所以也要传二级指针
    }
    else//节点大于1的情况
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next->next != NULL)//循环遍历，使prev指向倒数第二个节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        free(prev->next);//释放最后一个节点的空间
        prev->next = NULL;//将此时的最后一个节点的next制为空
    }
}
 
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead && *pphead);
    SLTNode* next = (*pphead)->next;//保存第二个节点的地址/空指针（只有一个节点时）
    free(*pphead);//释放第一个节点的空间
    *pphead = next;//让头指针指向刚才保存的节点/空指针，也要传二级指针
}
 
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SLTDataType n)
{
    SLTNode* cur = phead;
    while (cur != NULL)//遍历链表的所有节点
    {
        if (cur->data == n)//匹配成功，返回该节点的地址
        {
            return cur;
        }
        cur = cur->next;
    }
    return NULL;//没有找到，返回空指针
}
 
//指定位置之前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SLTDataType n)
{
    assert(pphead && pos);
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);
    if (*pphead == pos)//指定位置是头节点的情况
    {
        //进行头插
        newnode->next = *pphead;
        *pphead = newnode;
    }
    else
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next != pos)//遍历找到pos节点的前驱节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        newnode->next = pos;//新节点的next指针指向pos
        prev->next = newnode;//前驱节点的next指针指向新节点
    }
}
 
//指定位置之后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SLTDataType n)
{
    assert(pos);//确保pos不为空指针
    SLTNode* newnode = SLTBuyNode(n);
    newnode->next = pos->next;//newnode的next指向后继节点
    pos->next = newnode;//前驱节点的next指向newnode
}
 
//删除指定位置节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{
    assert(pphead && pos && *pphead);//确保传入的不是空指针并且链表不为空
    if (pos == *pphead)//指定位置是头节点情况
    {
        //头删
        *pphead = pos->next;//先使头指针指向第二个节点
        free(pos);//释放掉pos节点
    }
    else
    {
        SLTNode* prev = *pphead;
        while (prev->next != pos)//循环遍历，找到pos的前驱节点
        {
            prev = prev->next;
        }
        prev->next = pos->next;//使前驱节点的next指针指向pos的后继节点
        free(pos);//释放掉pos节点
    }
    pos = NULL;//对野指针及时制空
}
 
//销毁链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead)
{
    assert(pphead);
    SLTNode* cur = *pphead;//从头节点开始遍历
    while (cur != NULL)
    {
        SLTNode* next = cur->next;//先记录下一个节点
        free(cur);//释放当前节点
        cur = next;//释放后，cur指向记录的节点
    }
    *pphead = NULL;//将头指针制空
}

总结

       相比于顺序表，单链表采用了不同的物理结构，这使得头插、头删等操作的效率高于顺序表，并且插入一个数据就会创建一个节点，避免了空间的浪费。


      学习单链表是数据结构中相当重要的一个环节，学会了单链表，才会更容易地理解其他数据结构的底层逻辑。我们在学习数据结构时，要注意勤画图，勤调试，才能让我们的编程能力更上一层楼。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤

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