【初阶数据结构】链表的柔光之美

用户11456817

发布于 2025-02-26 09:25:18

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一、为什么需要链表？

在C语言程序设计中，数组是最基础的数据结构，但它存在明显的局限性：

固定长度，无法动态扩展
插入/删除元素需要大量数据移动
内存空间要求连续

链表（Linked List）通过动态内存分配和指针连接完美解决了这些问题。每个元素（节点）包含：

数据域 - 存储实际数据
指针域 - 存储下一个节点的地址

二、链表与数组的对比

三、链表节点定义

typedef struct Node {
    int data;           // 数据域
    struct Node *next;  // 指针域
} Node;

四、链表基本操作

1. 创建链表

Node* createList(int data) {
    Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (head == NULL) {
        printf("内存分配失败！");
        exit(1);
    }
    head->data = data;
    head->next = NULL;
    return head;
}

2. 插入节点

头插法（时间复杂度O(1)）

void insertAtHead(Node** head, int data) {
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    newNode->data = data;
    newNode->next = *head;
    *head = newNode;
}

尾插法（时间复杂度O(n)）

void insertAtTail(Node* head, int data) {
    Node* current = head;
    while (current->next != NULL) {
        current = current->next;
    }
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    newNode->data = data;
    newNode->next = NULL;
    current->next = newNode;
}

3. 删除节点

void deleteNode(Node** head, int key) {
    Node *temp = *head, *prev;
    
    // 删除头节点
    if (temp != NULL && temp->data == key) {
        *head = temp->next;
        free(temp);
        return;
    }

    // 查找待删除节点
    while (temp != NULL && temp->data != key) {
        prev = temp;
        temp = temp->next;
    }

    if (temp == NULL) return;

    // 解除链接并释放内存
    prev->next = temp->next;
    free(temp);
}

4. 遍历链表

void printList(Node* head) {
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        printf("%d -> ", current->data);
        current = current->next;
    }
    printf("NULL\n");
}

五、进阶操作

1. 反转链表（迭代法）

void reverseList(Node** head) {
    Node *prev = NULL;
    Node *current = *head;
    Node *next = NULL;
    
    while (current != NULL) {
        next = current->next;  // 保存下一个节点
        current->next = prev;  // 反转指针
        prev = current;        // 前移prev
        current = next;        // 前移current
    }
    *head = prev;
}

2. 检测环（快慢指针法）

int hasCycle(Node *head) {
    Node *slow = head, *fast = head;
    
    while (fast != NULL && fast->next != NULL) {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
        
        if (slow == fast) {
            return 1;  // 存在环
        }
    }
    return 0;  // 无环
}

六、内存管理要点

必须检查malloc返回值

Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
if (newNode == NULL) {
    // 处理内存分配失败
}

及时释放内存

void freeList(Node* head) {
    Node* temp;
    while (head != NULL) {
        temp = head;
        head = head->next;
        free(temp);
    }
}

避免野指针

free(temp);
temp = NULL;  // 释放后立即置空

七、常见错误排查

段错误（Segmentation Fault）
- 访问已释放的内存
- 指针未初始化就使用
内存泄漏
- 使用valgrind工具检测
- 确保每个malloc都有对应的free
逻辑错误
- 忘记更新头指针
- 指针操作顺序错误

八、链表变体

双向链表

typedef struct DNode {
    int data;
    struct DNode *prev;
    struct DNode *next;
} DNode;

循环链表

// 尾节点指向头节点
head->next = head;

带头节点的链表

统一操作逻辑
简化边界条件处理

九、应用场景

实现栈/队列
多项式运算
文件系统目录结构
图结构的邻接表
内存管理系统

十、完整示例代码

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

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;

// [此处插入上述各个函数实现]

int main() {
    Node* list = createList(5);
    insertAtHead(&list, 2);
    insertAtTail(list, 8);
    
    printf("原始链表: ");
    printList(list);  // 输出: 2 -> 5 -> 8 -> NULL
    
    reverseList(&list);
    printf("反转后: ");
    printList(list);  // 输出: 8 -> 5 -> 2 -> NULL
    
    deleteNode(&list, 5);
    printf("删除后: ");
    printList(list);  // 输出: 8 -> 2 -> NULL
    
    freeList(list);
    return 0;
}