数组、链表、队列和栈----链表 (C语言实现)

亦凉 2023-03-01 05:54 181阅读 0赞

那么有没有一种添加和删除数据的效率很高的数据结构呢？这就是下面我们要介绍的链表了。这是一种全新的数据结构，需要用到指针。链表是用一个个结点组成的。  
下面就要开始使用指针了。如果读者还没有弄明白指针的知识，或者就不想用指针，那就可以跳过这一小节。在下一节中，我们将使用数组模拟链表。

我们先来看看结点的声明和组成：

声明结点的结构体：它由具体数据和指向下一个结点的指针组成。

struct Node{
        
    	int num; //具体数据 
    	struct Node * next; //指向下一个结点的指针 
    };

获得变量有两种方式，分别是普通结构体变量和指针变量：

struct Node head; //普通的结构体变量：头结点
    struct Node * temp;//指向结构体的指针变量

我们在head后面添加新节点。添加结点有三种方式：

1、在链表的指定位置插入新节点
    void insertNodeAt(int index, int n) 
    {
        
    	//向操作系统申请一段内存空间，并强制转化成node的指针 
    	struct Node * node = (struct Node *)(malloc(sizeof(struct Node)));
    	node->num = n; //为node结点赋值 
    	node->next = NULL; //为node结点赋值 
    	
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针 
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	struct Node * temp; //临时结点的指针
    	
    	for(int i = 0; i < index - 1; i++) //遍历到index的父节点 
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    	}
    	
    	//这时，currentNode是index的父节点 
    	node->next = currentNode->next;
    	currentNode->next = node; //更换currentNode的next结点。也就是插入操作
    	head.num++;//head结点的num表示这个链表一共有几个结点 
    }
    
    2、在链表的头部 (紧挨着head的位置) 添加新节点
    void insertNodeAtFirst(int n) 
    {
        
    	insertNodeAt(1, n);
    }
    
    2、在链表最后插入结点
    void appendNode(int n)//在尾部添加结点
    {
        
    	int size = head.num;
    	insertNodeAt(size + 1, n);
    }

链表中删除结点也有三种，分别是：

1、删除指定index的结点：
    void removeNode(int index) //删除指定index的结点 
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	struct Node * temp; //结点的临时指针 
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点
    	
    	for(int i = 0; i < index - 1; i++) //遍历到index的父节点
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    	}
    	
    	//这时，currentNode是index的父节点 
    	//用temp指向要删除的index结点
    	temp = currentNode->next;
    	currentNode->next =  currentNode->next->next; //删除index的结点
    	free(temp); //要回收内存
    	head.num--; //head结点的num表示这个链表一共有几个结点
    }
    
    2、删除第一个结点
    void removeFirstNode() 
    {
        
    	removeNode(1);
    } 
    
    3、删除最后一个结点
    void removeLastNode()  
    {
        
    	int size = head.num;
    	removeNode(size);
    }

获得结点的数据也有三种：

1、获得指定位置的结点的数据
    int getNum(int index)  
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	
    	//历，找到index结点 
    	for(int i = 0; i < index; i++)
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next; 
    		if(currentNode == NULL) //防止出错 
    		{
        
    			return -1; //出错时返回-1 
    		}
    	}
    	
    	return currentNode->num; //返回指定位置的结点的数据
    }

2、获得第一个结点的数据
    int getFirstNum()  
    {
        
    	return getNum(1);
    }

3、获得最后一个结点的数据
    int getLastNum()
    {
        
    	int size = head.num;
    	return getNum(num);
    }

设置index位置的结点的数据也有三种方式。这里只编写设置指定位置的结点的数据。其余两种请读者自行完成 (设置第一个结点的数据和最后一个结点的数据)。可以看到，设置结点的数据与获得结点的数据的代码极其相似。

1、设置指定位置的结点的数据

void setNum(int index, int n) 
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	
    	//遍历，找到index结点 
    	for(int i = 0; i < index; i++)
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    		if(currentNode == NULL)
    		{
        
    			return;
    		}
    	}
    	currentNode->num = n; //设置index结点的数据 
    }

下面是遍历整个数组的代码：

void traverse() //遍历 
    {
        
    	struct Node *currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = head.next; //当前结点的指针指向head结点的下一个结点 
    	
    	while(currentNode != NULL) //遍历 
    	{
        
    		printf("%d, ", currentNode->num); //输出结点信息 
    		currentNode = currentNode->next; //跳转到下一个结点 
    	}
    	printf("\r\n");
    }

最后，记得删除所有的指针，释放内存

void release()  
    {
        
    	struct Node * temp; //结点的临时指针
    	
    	while(head.next != NULL) //当head结点的next不为NULL时循环 
    	{
        
    		temp = head.next; //用temp记录head结点的子节点
    		head.next = head.next->next; //删除head结点的子节点
    		free(temp); //回收内存 
    	}
    }

总体的代码如下：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    //声明结点的结构体 
    struct Node{
        
    	int num; //具体数据 
    	struct Node * next; //指向下一个结点的指针 
    };
    
    struct Node head; //普通的结构体变量：头结点 
    
    void insertNodeAt(int index, int n) //在链表的指定位置插入新节点
    {
        
    	//向操作系统申请一段内存空间，并强制转化成node的指针 
    	struct Node * node = (struct Node *)(malloc(sizeof(struct Node)));
    	node->num = n; //为node结点赋值 
    	node->next = NULL; //为node结点赋值 
    	
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针 
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	struct Node * temp; //临时结点的指针
    	
    	for(int i = 0; i < index - 1; i++) //遍历到index的父节点 
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    	}
    	
    	//这时，currentNode是index的父节点 
    	node->next = currentNode->next;
    	currentNode->next = node; //更换currentNode的next结点。也就是插入操作 
    	head.num++;//head结点的num表示这个链表一共有几个结点
    }
    
    void insertNodeAtFirst(int n) //在头部插入结点
    {
        
    	insertNodeAt(1, n);
    }
    
    void appendNode(int n)//在尾部添加结点
    {
        
    	int size = head.num;
    	insertNodeAt(size + 1, n);
    }
    
    void removeNode(int index) //删除指定index的结点 
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	struct Node * temp; //结点的临时指针 
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点
    	
    	for(int i = 0; i < index - 1; i++) //遍历到index的父节点
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    	}
    	
    	//这时，currentNode是index的父节点 
    	//用temp指向要删除的index结点
    	temp = currentNode->next;
    	currentNode->next =  currentNode->next->next; //删除index的结点
    	free(temp); //要回收内存
    	head.num--; //head结点的num表示这个链表一共有几个结点
    }
    
    void removeFirstNode() //删除第一个结点
    {
        
    	removeNode(1);
    } 
    
    void removeLastNode() //删除最后一个结点 
    {
        
    	int size = head.num;
    	removeNode(size);
    }
    
    int getNum(int index) //获得指定位置的结点的数据 
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	
    	//遍历，找到index结点 
    	for(int i = 0; i < index; i++)
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next; 
    		if(currentNode == NULL) //防止出错 
    		{
        
    			return -1; //出错时返回-1 
    		}
    	}
    	return currentNode->num; //返回指定位置的结点的数据
    }
    
    int getFirstNum() //获得第一个结点的数据 
    {
        
    	return getNum(1);
    }
    
    int getLastNum() //获得最后一个结点的数据 
    {
        
    	int size = head.num;
    	return getNum(size);
    }
    
    void setNum(int index, int n) //设置index位置的结点的数据 
    {
        
    	struct Node * currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = &head; //当前结点的指针指向head结点 
    	
    	//遍历，找到index结点 
    	for(int i = 0; i < index; i++)
    	{
        
    		currentNode = currentNode->next;
    		if(currentNode == NULL)
    		{
        
    			return;
    		}
    	}
    	currentNode->num = n; //设置index结点的数据 
    }
    
    void traverse() //遍历 
    {
        
    	struct Node *currentNode; //当前结点的指针
    	currentNode = head.next; //当前结点的指针指向head结点的下一个结点 
    	
    	while(currentNode != NULL) //遍历 
    	{
        
    		printf("%d, ", currentNode->num); //输出结点信息 
    		currentNode = currentNode->next; //跳转到下一个结点 
    	}
    	printf("\r\n");
    }
    
    void release() //释放内存 
    {
        
    	struct Node * temp; //结点的临时指针
    	
    	while(head.next != NULL) //当head结点的next不为NULL时循环 
    	{
        
    		temp = head.next; //用temp记录head结点的子节点
    		head.next = head.next->next; //删除head结点的子节点
    		free(temp); //回收内存 
    	}
    }
    
    int main()
    {
        
    	insertNodeAtFirst(1);
    	insertNodeAtFirst(2);
    	insertNodeAtFirst(3);
    	
    	appendNode(12);
    	appendNode(13);
    	appendNode(14);
    	printf("插入6个结点之后：");
    	traverse();
    	
    	removeFirstNode(); //删除第一个结点
    	printf("\r\n删除第一个结点之后：");
    	traverse();
    	
    	removeNode(2);
    	printf("\r\n删除第二个结点之后：");
    	traverse();
    	
    	removeLastNode();
    	printf("\r\n删除最后一个结点之后：");
    	traverse();
    	
    	printf("\r\n得到第一个结点，数据是：%d\r\n", getFirstNum());
    	printf("\r\n得到第%d个结点，数据是：%d\r\n", 3, getNum(3));
    	printf("\r\n得到最后一个结点，数据是：%d\r\n", getLastNum());
    	
    	printf("\r\n在3号位置插入一个结点之后：");
    	insertNodeAt(3, 8);
    	traverse();
    	
    	printf("\r\n把2号位置的结点的数据修改为100：");
    	setNum(2, 100);
    	traverse();
    	
    	release(); //回收内存
    	printf("\r\nHello\r\n");
    	return 0;
    }

代码运行结果如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
总体来说，在链表中要找到一个结点是不容易的，时间复杂度为O(N)。虽然链表的添加、删除操作很容易，时间复杂度为O(1)，但是两者结合之后却发现，要在链表中先花费O(N)找到一个结点，然后再用O(1)删除/修改/添加一个结点。跟数组相比，似乎并没有什么优势啊。  
其实不能完整这么想，用数组最大的问题是没办法修改数组大小，所以只能一开始就申请很大的内存空间来保证程序有足够多的空间。这样势必会浪费很多空间。另外一个问题，数组的内存空间是连续的，这样就必须要先找到一个连续空间才能把这些空间分配给数组。而链表不一样，每次需要一个链表的时候就可以添加一小块内存给程序，而且这些小块的内存不需要连续，这样就可以更好的使用零碎的内存了。另外，对于之后要学习的二叉树、邻接表等内容，就很难绕开链表了。

简单的单向链表就到这里了，链表的形式还有几种，比如循环链表、双向链表、循环双向链表等。这些内容就交给有兴趣的读者自己完成吧。对于本书来说，简单的单向链表就足够用了。

数组和链表的对比如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]下一节讲队列。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230209/2039d9b546414fbfb28d47777d41e885.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200722151241803.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc=,size_16,color_FFFFFF,t_70