c语言之单向链表
- 2020 年 3 月 5 日
- 筆記
0x00 什么是链表
链表可以说是一种最为基础的数据结构了，而单向链表更是基础中的基础。链表是由一组元素以特定的顺序组合或链接在一起的，不同元素之间在逻辑上相邻，但是在物理上并不一定相邻。在维护一组数据集合时，就可以使用链表，这一点和数组很相似。但是，链表有着数组所不具有的优势。一方面，链表在执行插入删除操作时拥有更高的效率；另一方面，链表是在堆区动态的开辟存储空间，而大多数的数据在编译时大小并不能确定，因此这种动态开辟空间的特性也可以说是链表的一个优点。
0x01 链表的应用
- 多项式计算
- 滚动列表
- 邮件列表
- 文件的链式分配
- 内存管理
……
0x02 单向链表初见
就像图像所示，单向链表各个元素之间通过一个指针先后链接起来。每个元素包含两个部分，分别是数据域和指针域。前一个元素通过next指针指向后一个元素，链表的开始的元素为链表头，即head指针所指，链表结束的元素为链表尾，尾部元素的next指针指向NULL。可见，单向链表为线性结构。
若想访问链表中的一个元素，我们只能从链表的头部开始，顺着指针指向逐查找。如果从链表头移动到指定的元素，而这时候我们又想访问当前元素之前的某个元素，这时候只能从头在次遍历链表。这相比数组能够通过下标直接访问要麻烦的多，不过我们应该根据不同的应用场景选择数组还是链表，它们只有在对的地方才能发挥出巨大的威力。
0x03 单向链表的操作
0x00 链表结构
typedef struct node//链表元素的结构 { void *data;//节点中的数据域，设置为无类型指针，数据类型大小由使用者定义 struct node *next;//指向下一节点的指针 }Node; typedef struct list//链表的结构 { int size;//链表中节点个数 void (*destroy)(void *data);//由于链表节点中的数据是用户自定义的，故需要调用者提供释放空间的函数 void (*print_data)(const void *data);//同，由用户自定义打印数据的函数 int (*match)(const void *key1, const void *key2);//同，由用户自定义数据的比较方式 Node *head;//记录链表的头部位置 Node *tail;//记录链表的尾部位置 }List;示意图如下：
0x01 接口
下面是链表操作函数的接口，以及简单介绍：
extern void list_init(List *list, void (*destroy)(void *data), void (*print_data)(const void *data), int (*match)(const void *key1, const void *key2));//初始化一个链表 extern int list_ins_head(List *list, const void *data);//链表的插入，将节点从头部插入 extern int list_ins_tail(List *list, const void *data);//链表的插入，将节点从尾部插入 extern int list_ins_sort(List *list, const void *data);//链表的插入，插入后链表是一个有序的链表 extern void* list_search(List *list, const void *data);//在链表中查找指定数据，若找到返回数据的地址 extern void* list_remove(List *list, const void *data);//在链表中删除指定数据，若找到删除节点并将数据地址返回 extern void list_reverse(List *list);//将链表逆置 extern void list_sort(List *list);//将链表按照一定方式排序 extern void print_list(List *list);//打印链表 extern void list_destroy(List *list);//删除整个链表 #define list_size(list) (list->size) //返回链表节点个数0x02 list_init
使用list_init函数初始化一个链表，以便链表的其他操作。
void list_init(List *list, void (*destroy)(void *data), void (*print_data)(const void *data), int (*match)(const void *key1, const void *key2)) { list->size = 0;//初始时，链表没有节点，设置为0 list->head = NULL;//头和尾置空 list->tail = NULL; list->match = match;//初始化链表的成员函数 list->destroy = destroy; list->print_data = print_data; return; }0x03 list_ins_head
使用list_ins_head函数，在链表的头部插入数据。示意图如下：
从示意图可以看出，单向链表的部插入逻辑非常简单。仔细观察，标绿的部分代码有重复，可以优化
/*在链表的头部插入数据*/ int list_ins_head(List *list, const void *data) { Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点 if(new_node == NULL) return -1; new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据 /* if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点 { list->tail = new_node; new_node->next = NULL; list->head = new_node; } else //链表非空时将节点插入头部 { new_node->next = list->head; list->head = new_node; } */ if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点 list->tail = new_node; new_node->next = list->head; list->head = new_node; list->size ++;//维护链表size属性 return 0; }0x04 list_ins_tail
使用list_ins_tail函数，在链表的尾部插入数据，示意图如下：
/*在链表的尾部插入数据*/ int list_ins_tail(List *list, const void *data) { Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点 if(new_node == NULL) return -1; new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据 if(list_size(list) == 0) list->head = new_node; else list->tail->next = new_node; list->tail = new_node; new_node->next = NULL; list->size ++; return 0; }0x05 list_ins_sort
使用list_ins_sort函数，进行链表的有序插入。
链表的有序插入大致可以分为两种情况：
其一，链表为空时直接插入;
其二，链表非空时，在此时又分为三种小情况;
- 在链表头部插入
- 在链表中部插入
- 在链表尾部插入
链表为空时，操作方法和头尾部插入类似。链表非空时，我们需要先寻找到插入位置，然后在将数据插入链表。
在此之前我们已经了解了如何在链表的头部和尾部插入元素，那么，现在唯一需要处理的便是 在链表中部插入节点 ，这是链表插入操作的核心。
注意：在链表中部插入节点时，必须得到前一节点的位置，即图中指向蓝色节点的指针p_pre.
插入节点的逻辑了解后，处理在非空链表情况下插入节点就清晰多了。
/*在链表的有序插入数据*/ int list_ins_sort(List *list, const void *data) { Node *new_node = (Node *)calloc(1, sizeof (Node)); //创建插入的节点 if(new_node == NULL) return -1; new_node->data = (void *)data;//关联节点与数据 if(list_size(list) == 0)//链表为空时，插入节点 { list->tail = new_node; new_node->next = NULL; list->head = new_node; } else//链表非空 { Node *p_cur = list->head; Node *p_pre = list->head; while(p_cur != NULL && list->match(new_node->data, p_cur->data) > 0)//查找链表的插入位置 { p_pre = p_cur; p_cur = p_cur->next; } if(p_cur != NULL)//插入位置在头部和中间时 { if(p_cur == list->head)//插入位置在头部 { new_node->next = list->head; list->head = new_node; } else//位置在链表中间 { new_node->next = p_pre->next; p_pre->next = new_node; } } else//插入位置在链表尾部 { list->tail->next = new_node; list->tail = new_node; new_node = NULL; } } list->size ++; return 0; }0x06 list_search
使用list_search函数，查找链表中与数据匹配的节点，并返回节点指针。
此处查找逻辑与list_ins_sort中的查找逻辑基本类似，不做赘述。
/*查找链表中与数据匹配的节点，并返回节点指针*/ void* list_search(List *list, const void *data) { if(list_size(list) == 0) { printf("list is emptyn"); return NULL; } else { Node *p_cur = list->head; while(p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) != 0)//查找数据在链表中的位置 p_cur = p_cur->next; if(p_cur != NULL)//找到返回数据地址，否则返回NULL return p_cur->data; else return NULL; } }0x07 list_remove
使用list_remove函数，删除节点，并将节点中的数据返回，交由用户处理。
此处查找逻辑与list_ins_sort中的查找逻辑基本类似，不做赘述。
和插入节点中分为头部、中部尾部类似，删除也分为头中尾部。
删除头部节点
不过删除头部节点时需要注意一点，就是当链表仅有一个节点时，我们需要维护一下tail指针。
删除中部节点
删除尾部节点
注意：代码中将中部与尾部的删除进行了合并。
/*删除指定数据的节点*/ void* list_remove(List *list, const void *data) { void *old_data = NULL; Node *p_cur = list->head; Node *p_pre = list->head; while (p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) !=0) { p_pre = p_cur; p_cur = p_cur->next; } if(p_cur != NULL && list->match(p_cur->data, data) ==0)//删除位置在头部和中间时 { if(p_cur == list->head)//删除位置在头部 { list->head = p_cur->next; if(p_cur->next == NULL) list->tail = NULL; } else//中部时或尾部 { p_pre->next = p_cur->next; if(p_cur->next == NULL)//判断是否为尾部 list->tail = p_pre; } old_data = p_cur->data; free(p_cur); list->size --; } return old_data; }0x08 list_reverse
使用list_reverse函数将链表逆置。
逆置过程：
观察可以发现，逆置的过程本质上就是将原来的链表逐个摘下头节点，插入逆置后的链表的头部
void list_reverse(List *list) { if(list_size(list) != 0) { Node *p_pre = list->head; Node *p_cur = list->head->next; list->head->next = NULL; list->tail = list->head; while(p_cur!= NULL) { p_pre = p_cur; p_cur = p_cur->next; p_pre->next = list->head; list->head = p_pre; } } return; }0x09 list_sort
使用list_sort函数对链表进行排序，此处使用选择排序法。
void list_sort(List *list) { if(list_size(list) != 0) { Node *p_i = list->head; while(p_i->next != NULL) { Node *p_min = p_i; Node *p_j = p_min->next; while (p_j != NULL) { if(list->match(p_min->data, p_j->data) > 0) p_min = p_j; p_j = p_j->next; } if(p_min != p_i) { void *data = p_i->data; p_i->data = p_min->data; p_min->data = data; } p_i = p_i->next; } } return; }0x10 print_list和list_destroy
void print_list(List *list) { if(list->head == NULL)//链表为空 { printf("list is emptyn"); } else //链表非空 { Node * p_cur = list->head; while (p_cur) { list->print_data(p_cur->data); p_cur = p_cur->next; } } return; }void list_destroy(List *list) { Node *p_cur = list->head; while (p_cur != NULL) { list->head = list->head->next; list->destroy(p_cur->data);//释放节点中的数据 free(p_cur);//释放节点 p_cur = list->head; } memset(list, 0, sizeof (List)); return; }
