[数据结构]—带头双向循环链表——超详解

小李很执着

发布于 2024-06-15 08:35:35

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发布于 2024-06-15 08:35:35

文章被收录于专栏：学习笔记

💓1.总体布局

1.创建双向链表节点 LTNode* CreateLTNode(LTDataType x)； 2.初始化双向循环链表 LTNode* LTInit(); 3.打印双向循环链表 void LTPrint(LTNode* phead); 4.循环双向链表尾插 void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x); 5.双向循环链表中删除尾节点 void LTPopBack(LTNode* phead); 6.双向链表的头插操作 void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x); 7.双向链表的头部删除操作 void LTPopFront(LTNode* phead); 8.循环链表中查找指定值节点 LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x); 9.该函双向链表中指定节点pos的前面插入一个新的节点 void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x); 10.双向链表中删除某个节 void LTErase(LTNode* pos); 11.销毁一个循环双向链表 void LTDestroy(LTNode * phead);

💓2.详细解读

❣️1.创建双向链表节点

函数输入参数为节点的值x，函数返回一个指向节点的指针。函数内部实现：

使用malloc函数为新节点分配内存空间，分配的大小为一个LTNode结构体的大小。
判断内存分配是否成功，如果分配失败，则输出错误信息并退出程序。
对新节点进行初始化，将节点的值设置为x，next指针和prev指针设置为NULL。
返回指向新节点的指针。

LTNode* CreateLTNode(LTDataType x)
{
	LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	newnode->prev = NULL;
	return newnode;
}

❣️2.初始化双向循环链表

链表中的每个节点都是LTNode类型的结构体，其中包含一个指向前一个节点的指针prev和一个指向后一个节点的指针next。该函数首先创建一个值为-1的头节点，并将头节点的前一个节点和后一个节点都指向头节点本身，以形成一个空的双向循环链表。最后返回头节点的指针。

LTNode* LTInit()
{
	LTNode* phead = CreateLTNode(-1);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}

❣️3.打印双向循环链表

其参数为双向循环链表的头结点指针，函数内部会从头结点开始遍历链表，并依次打印每个节点的值，直到遍历到头结点为止。最终输出的内容是形如“哨兵位<=>x<=>y<=>z<=>哨兵位”的字符串，其中x、y、z分别表示链表中的元素值。

void LTPrint(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	printf("哨兵位<=>");

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<=>", cur->val);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

❣️4.循环双向链表尾插

将一个元素x插入到链表的最后一个节点的后面。函数接收两个参数，一个是指向链表头结点的指针phead，另一个是要插入到链表尾部的元素x。首先使用assert函数检查参数phead是否为NULL，如果是则直接终止程序。接着定义两个指针tail和newnode，tail指向链表的最后一个节点，newnode是要插入到链表尾部的新节点。然后将新节点插入到链表尾部。具体步骤如下：

让tail节点的next指针指向newnode节点，即tail->next = newnode。
让newnode节点的prev指针指向tail节点，即newnode->prev = tail。
让newnode节点的next指针指向链表头节点phead，即newnode->next = phead。
让phead节点的prev指针指向newnode节点，即phead->prev = newnode。

这样就完成了在链表尾部插入新节点的操作。

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);
	// phead               tail  newnode
	tail->next = newnode;
	newnode->prev = tail;
	newnode->next = phead;
	phead->prev = newnode;
}

❣️5.双向循环链表中删除尾节点

具体分析如下：

首先使用assert函数来判断phead是否为空，如果为空则程序立即终止。
由于是双向循环链表，在删除尾节点之前需要判断链表中是否存在节点。使用assert函数来判断phead的next指针是否指向phead本身，如果是则链表为空，程序立即终止。
设置指针tail指向链表的尾节点，并使用tailPrev指针来记录尾节点的前一个节点。
释放tail指向的节点，即删除尾节点。
将tailPrev节点的next指针指向phead节点，即将链表尾节点删除后，将尾节点的前一个节点的next指针指向头节点。
将phead节点的prev指针指向tailPrev节点，即将链表尾节点删除后，将头节点的prev指针指向链表的倒数第二个节点，以保证链表仍然是双向循环的。

注意，该函数的前提条件是链表中至少存在一个节点，否则会因为assert函数判断失败而终止程序。在使用该函数时需要注意链表的状态。

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	// 空
	assert(phead->next != phead);
	LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailPrev = tail->prev;
	free(tail);
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;

}

❣️6.双向链表的头插操作

将一个新节点插入到链表的第一个位置。输入参数：

phead：头结点指针，其中包含链表的头指针和尾指针；
x：要插入的节点的值。

函数流程：

创建新节点，其数据域为x；
获取原链表中第一个节点的指针first；
将新节点插入到头结点之后的位置，使得新节点为原链表的第一个节点，first成为新节点的后继节点；
将原第一个节点的prev指针指向新节点，完成头插操作。

注意事项：

函数中使用了assert宏，用于判断头结点是否存在；
操作需要改变多个节点的指针，需要仔细考虑顺序和细节。

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);
	LTNode* first = phead->next;
	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;

}

❣️7.双向链表的头部删除操作

1. 首先使用assert函数判断传入的链表头结点指针phead是否为空，如果为空则终止程序运行。 2. 再通过assert函数判断链表是否为空，即头结点的下一个结点是否还是头结点自身，如果是则说明链表为空，同样终止程序运行。 3. 取出链表头结点的下一个结点first，以及第二个结点second。 4. 将头结点的下一个结点指向第二个结点，同时将第二个结点的前一个结点指向头结点，完成删除操作。 5. 最后使用free函数释放被删除的结点first的内存空间，并将first指针置为空。

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	// 空
	assert(phead->next != phead);
	LTNode* first = phead->next;
	LTNode* second = first->next;
	phead->next = second;
	second->prev = phead;
	free(first);
	first = NULL;
	
}

❣️8.循环链表中查找指定值节点

参数说明：

phead：指向循环链表头节点的指针。
x：需要查找的值。

函数实现步骤：

首先，断言链表头节点不为空。
定义一个指针 cur，指向链表的第一个节点。
遍历链表，如果找到了值为 x 的节点，直接返回该节点指针。
如果遍历完整个链表都没有找到值为 x 的节点，就返回 NULL 指针，表示没有找到。

需要注意的是，该函数是针对循环链表的查找实现，因此需要判断 cur 指针是否回到了头节点 phead，如果回到了头节点，则表示遍历完整个链表，需要退出循环。

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->val == x)
		{
			return cur;
		}
		cur = cur->next;
	}
	return NULL;
}

❣️9.该函双向链表中指定节点pos的前面插入一个新的节点

节点的值为x。函数实现需要注意以下几点：

首先需要判断pos节点是否存在，若不存在则直接返回。
创建一个新节点newnode，并将其值赋为x。
获取pos节点的前一个节点posPrev，posPrev节点和newnode节点之间需要插入新的节点。
将posPrev节点的next指针指向newnode节点，将newnode节点的prev指针指向posPrev节点，将newnode节点的next指针指向pos节点，将pos节点的prev指针指向newnode节点。
确保插入操作顺利完成后，函数返回。

// 在pos前面的插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	LTNode* posPrev = pos->prev;
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);
	// posprev newnode pos
	posPrev->next = newnode;
	newnode->prev = posPrev;
	newnode->next = pos;
	pos->prev = newnode;
}

❣️10.双向链表中删除某个节

输入参数是要删除的节点指针pos。首先通过断言语句assert(pos)来检查输入参数是否为空。然后通过pos指针找到它的前驱节点posPrev和后继节点posNext，将它们之间的连接断开，即将posPrev的next指针指向posNext，将posNext的prev指针指向posPrev。最后通过free函数释放pos指向的内存空间，完成删除操作。

// 删除pos位置
void LTErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);

	LTNode* posNext = pos->next;
	LTNode* posPrev = pos->prev;

	posPrev->next = posNext;
	posNext->prev = posPrev;
	free(pos);
	
}

❣️11.销毁一个循环双向链表

参数phead是链表的头指针，其指向一个LTNode类型的结构体，该结构体中有两个指针，分别指向链表的头节点和尾节点。首先，函数中使用了断言assert(phead)，判断参数phead是否为空指针，如果是，程序会终止运行，有助于在调用函数时发现错误。然后，定义一个指针cur指向链表第一个节点，然后使用while循环遍历除了头节点之外的所有节点，直到遍历完所有节点为止。在循环中，使用一个指针next指向当前节点的下一个节点，然后释放当前节点的内存空间，最后将cur指向下一个节点。循环结束后，释放链表头节点的内存空间，销毁整个链表。

void LTDestroy(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
     free(phead);
}

💓3.部分代码进阶

❣️1.根据2—9：void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)

1.循环双向链表尾插操作

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTInsert(phead, x);
}

2. 双向链表的头插操作

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);
	LTInsert(phead->next, x);
}

❣️2.根据2—10void LTErase(LTNode* pos)

1.双向循环链表中删除尾节点

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	LTErase(phead->prev);
}

2. 双向链表的头部删除操作

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	// 空
	assert(phead->next != phead);
	LTErase(phead->next);
}

💓4.整体代码

❣️1.List.h

#pragma once

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>

typedef int LTDataType;

typedef struct ListNode
{
	struct ListNode* next;
	struct ListNode* prev;
	LTDataType val;
}LTNode;

LTNode* CreateLTNode(LTDataType x);
LTNode* LTInit();
void LTPrint(LTNode* phead);
void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopBack(LTNode* phead);

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x);
void LTPopFront(LTNode* phead);

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x);


void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x);

void LTErase(LTNode* pos);

void LTDestroy(LTNode * phead);

❣️2.List.c

#include"List.h"



LTNode* CreateLTNode(LTDataType x)
{
	LTNode* newnode = (LTNode*)malloc(sizeof(LTNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	newnode->prev = NULL;

	return newnode;
}

LTNode* LTInit()
{
	LTNode* phead = CreateLTNode(-1);
	phead->next = phead;
	phead->prev = phead;

	return phead;
}

void LTPrint(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	printf("哨兵位<=>");

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		printf("%d<=>", cur->val);
		cur = cur->next;
	}
	printf("\n");
}

void LTPushBack(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	//LTNode* tail = phead->prev;
	//LTNode* newnode = CreateLTNode(x);

	 phead               tail  newnode
	//tail->next = newnode;
	//newnode->prev = tail;
	//newnode->next = phead;
	//phead->prev = newnode;

	LTInsert(phead, x);
}

void LTPopBack(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	// 空
	assert(phead->next != phead);

	/*LTNode* tail = phead->prev;
	LTNode* tailPrev = tail->prev;

	free(tail);
	tailPrev->next = phead;
	phead->prev = tailPrev;*/

	LTErase(phead->prev);
}

//void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
//{
//	assert(phead);
//	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);
//
//	newnode->next = phead->next;
//	phead->next->prev = newnode;
//
//	phead->next = newnode;
//	newnode->prev = phead;
//
//}

void LTPushFront(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	/*assert(phead);
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);
	LTNode* first = phead->next;

	phead->next = newnode;
	newnode->prev = phead;
	newnode->next = first;
	first->prev = newnode;*/

	LTInsert(phead->next, x);
}

void LTPopFront(LTNode* phead)
{
	assert(phead);
	// 空
	assert(phead->next != phead);

	/*LTNode* first = phead->next;
	LTNode* second = first->next;

	phead->next = second;
	second->prev = phead;
	free(first);
	first = NULL;*/
	LTErase(phead->next);
}

LTNode* LTFind(LTNode* phead, LTDataType x)
{
	assert(phead);

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		if (cur->val == x)
		{
			return cur;
		}

		cur = cur->next;
	}

	return NULL;
}

// 在pos前面的插入
void LTInsert(LTNode* pos, LTDataType x)
{
	assert(pos);

	LTNode* posPrev = pos->prev;
	LTNode* newnode = CreateLTNode(x);

	// posprev newnode pos
	posPrev->next = newnode;
	newnode->prev = posPrev;
	newnode->next = pos;
	pos->prev = newnode;
}

// 删除pos位置
void LTErase(LTNode* pos)
{
	assert(pos);

	LTNode* posNext = pos->next;
	LTNode* posPrev = pos->prev;

	posPrev->next = posNext;
	posNext->prev = posPrev;
	free(pos);
	//pos = NULL;
}

void LTDestroy(LTNode* phead)
{
	assert(phead);

	LTNode* cur = phead->next;
	while (cur != phead)
	{
		LTNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	free(phead);
	//phead = NULL;
}

❣️3.Test.c

#include "List.h"

void TestList1()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPushBack(plist, 4);

	LTPrint(plist);

	LTPushFront(plist, 10);
	LTPrint(plist);
}

void TestList2()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushFront(plist, 10);
	LTPushFront(plist, 20);
	LTPushFront(plist, 30);
	LTPushFront(plist, 40);

	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	LTPopFront(plist);
	LTPrint(plist);

	//LTPopFront(plist);
	//LTPrint(plist);
}

void TestList3()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPushBack(plist, 4);

	LTPrint(plist);

	LTNode* pos = LTFind(plist, 3);
	if (pos)
	{
		pos->val *= 10;
	}
	LTPrint(plist);

	LTInsert(pos, 30000);
	LTPrint(plist);

	LTInsert(plist, -1);
	LTPrint(plist);

	LTInsert(plist, -2);
	LTPrint(plist);
}

void TestList4()
{
	LTNode* plist = LTInit();
	LTPushBack(plist, 1);
	LTPushBack(plist, 2);
	LTPushBack(plist, 3);
	LTPushBack(plist, 5);
	LTPushBack(plist, 4);

	LTPrint(plist);

	LTNode* pos = LTFind(plist, 3);
	if (pos)
	{
		LTErase(pos);
		pos = NULL;
	}
	LTPrint(plist);

	LTDestroy(plist);
	plist = NULL;
}

int main()
{
	TestList4();

	return 0;
}

💓5.优缺点

带头双向循环链表的优点：

相对于单向链表，双向链表可以在遍历列表时可以很方便地获取前驱节点，这是非常有用的。因此，双向链表的操作速度要快于单向链表，尤其是在需要频繁地对链表进行插入和删除操作时。
循环链表能够有效地利用链表结构，实现了一种无限循环的数据结构，可以在遍历列表时可以非常方便地实现循环。
带头结点的链表可以避免一些特殊情况，例如对于空链表的插入和删除操作，带头节点的链表不需要特殊处理。