【数据结构】之链表（C语言描述）

　　链表是线性表的一种，是一种物理存储单元上非连续的存储结构，链表中的数据元素之间是通过指针链接实现的。

　　链表由一系列节点组成，节点可以在运行时动态的生成。

　　链表中国的每个节点分为两部分：一部分是存储数据的数据域，另一部分是存储下一个节点的地址的指针域。

　　如果要在链表中查找某个位置的元素，需要从第一个元素开始，循着指针链一个节点一个节点的找，不像顺序表那样可以直接通过下标获取对应的元素，因此，链表不适合查询操作频繁的场景。

　　如果要在链表中添加或删除某个元素，只需要通过指针操作，将要操作的节点链入指针链或从指针链中移除即可，不必像顺序表那样需要移动之后的所有节点，因此，链表更适合增删操作频繁的场景。

　　使用链表不需要像顺序表那样，处处考虑要不要给表扩容，链表中的元素都是在运行时动态生成的，因此可以充分利用计算机的内存空间；但是，由于链表中的每个元素都需要包括数据域和指针域两块区域，因此空间开销也是比较大的。

　　下面是用 C语言 描述的链表的代码：

　　链表数据结构的头文件LinkedList.h中的代码：

/**
 * 线性表（链式存储）
 * 注意：线性表的第一个节点不存储任何数据，只起到表头的作用
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 类型定义
typedef int Status;         // 方法的返回值
typedef int LinkedElemType; // LinkedList数据结构中节点中存储的数据的类型

// LinkedList中的节点的结构体
typedef struct LinkedNode {
    LinkedElemType value;
    struct LinkedNode* nextNode;
} LinkedNode;

// LinkedList数据结构
typedef struct LinkedList {
    LinkedNode* data;
    int length;
} LinkedList;

// 1.创建带头结点的空链表
void initLinkedList(LinkedList* L) {
    L->data = (LinkedNode*)malloc(sizeof(LinkedNode));
    if(L->data != NULL) {
        L->data->nextNode = NULL;
        L->length = 0;
        printf("创建链表成功！\n");
    }
}

// 2.销毁链表
void destroyLinkedList(LinkedList* L) {
    LinkedNode* node = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    while(L->data != NULL) {
        node = L->data;
        L->data = L->data->nextNode;
        free(node);
    }
    printf("销毁链表成功！\n");
}

// 3.清空链表（使链表只剩下表头）
void clearLinkedList(LinkedList* L) {
    LinkedNode* node = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    while(L->data->nextNode != NULL) {
        node = L->data->nextNode;
        L->data->nextNode = node->nextNode;
        free(node);
    }
    L->length = 0;
    printf("清空链表成功！\n");
}

// 4.返回链表的长度
int getLinkedListSize(LinkedList* L) {
    return L->length;
}

// 5.判断链表中是否存储着数据
Status isLinkedListEmpty(LinkedList* L) {
    return L->data->nextNode == NULL;
}

// 6.返回链表中第i个数据元素的值
LinkedElemType getLinkedElemAtPos(LinkedList* L, int i) {
    LinkedNode* node = NULL;
    int index = -1;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    if(i < 1 || i > L->length) {
        printf("下标无效！\n");
        exit(1);
    }
    node = L->data;
    for(index = 1; index <= i; index++) {
        node = node->nextNode;
    }
    return node->value;
}

// 7.在链表L中检索值为e的数据元素（第一个元素）
LinkedNode* getLinkedElem(LinkedList* L, LinkedElemType e) {
    LinkedNode* node = L->data;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        return NULL;
    }
    while(node->nextNode != NULL) {
        node = node->nextNode;
        if(e == node->value) {
            return node;
        }
    }
    return NULL;
}

// 8.在链表L中第i个数据元素之前插入数据元素e
void insertLinkedElemBefore(LinkedList* L, int i, LinkedElemType e) {
    LinkedNode* priorNode = L->data;
    LinkedNode* nextNode = NULL;
    LinkedNode* newNode = NULL;
    int index = -1;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    if(i < 1 || i >= L->length) {
        printf("下标无效！\n");
        exit(1);
    }
    newNode = (LinkedNode*)malloc(sizeof(LinkedNode));
    newNode->value = e;
    for(index = 1; index < i; index++) {
        priorNode = priorNode->nextNode;
        nextNode = priorNode->nextNode;
    }
    priorNode->nextNode = newNode;
    newNode->nextNode = nextNode;
    L->length++;
    printf("在第%d个位置插入%d成功！\n", i, e);
}

// 9.在表尾添加元素e
void insertElemAtEnd(LinkedList* L, LinkedElemType e) {
    LinkedNode* currNode = NULL;
    LinkedNode* newNode = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！");
        exit(1);
    }
    currNode = L->data;
    while(currNode->nextNode != NULL) {
        currNode = currNode->nextNode;
    }
    newNode = (LinkedNode*)malloc(sizeof(LinkedNode));
    newNode->value = e;
    newNode->nextNode = NULL;
    currNode->nextNode = newNode;
    L->length++;
    printf("成功在表尾添加元素%d\n", e);
}

// 10.删除链表中第i个位置上的元素
void deleteLinkedElemAtPos(LinkedList* L, int i) {
    LinkedNode* priorNode = L->data;
    LinkedNode* nextNode = NULL;
    LinkedNode* oldNode = NULL;
    int index = -1;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    if(i < 1 || i > L->length) {
        printf("下标无效！\n");
        exit(1);
    }
    for(index = 1; index < i; index++) {
        priorNode = priorNode->nextNode;
        nextNode = priorNode->nextNode;
    }
    oldNode = nextNode;
    priorNode->nextNode = nextNode->nextNode;
    L->length--;
    printf("成功删除第%d个位置上的元素%d！\n", i, oldNode->value);
    free(oldNode);
}

// 11.返回给定元素的前驱节点
LinkedNode* getPriorLinkedElem(LinkedList* L, LinkedNode* e) {
    LinkedNode* priorNode = NULL;
    LinkedNode* currNode = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！");
        return NULL;
    }
    if(e == L->data->nextNode) {
        return L->data->nextNode;
    }
    priorNode = L->data;
    currNode = priorNode->nextNode;
    while(currNode->nextNode != NULL) {
        if(currNode == e) {
            return priorNode;
        }
        priorNode = currNode;
        currNode = priorNode->nextNode;
    }
    return NULL;
}

// 12.返回给定元素的后继节点
LinkedNode* getNextLinkedElem(LinkedList* L, LinkedNode* e) {
    LinkedNode* currNode = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        return NULL;
    }
    currNode = L->data;
    while(currNode->nextNode != NULL) {
        if(currNode == e) {
            return currNode->nextNode;
        }
        currNode = currNode->nextNode;
    }
    return NULL;
}

// 13.遍历链表
void traverseLinkedList(LinkedList* L) {
    LinkedNode* currNode = NULL;
    if(L->data == NULL) {
        printf("链表不存在！\n");
        exit(1);
    }
    currNode = L->data->nextNode;
    while(currNode != NULL) {
        printf("%-4d", currNode->value);
        currNode = currNode->nextNode;
    }
    printf("\n");
}

testLinkedList() {
    // 声明链表对象
    LinkedList list;
    // 测试节点
    LinkedNode* testNode;
    // 初始化链表
    initLinkedList(&list);
    // 销毁链表
    // destroyLinkedList(&list);
    // 清空链表
    clearLinkedList(&list);
    // 获取链表长度
    printf("当前链表长度：%d\n", getLinkedListSize(&list));
    // 判断链表中是否存储着数据
    printf("链表中是否存储着数据：%s\n", isLinkedListEmpty(&list) ? "否" : "是");
    // 在表尾添加元素
    insertElemAtEnd(&list, 1);
    insertElemAtEnd(&list, 2);
    insertElemAtEnd(&list, 4);
    insertElemAtEnd(&list, 5);
    insertElemAtEnd(&list, 6);
    // 遍历链表中的元素
    traverseLinkedList(&list);
    // 获取某个位置的元素值
    printf("当前链表中第2个元素的值是：%d\n", getLinkedElemAtPos(&list, 2));
    // 在某元素前插入新元素
    insertLinkedElemBefore(&list, 3, 3);
    insertLinkedElemBefore(&list, 3, 3);
    // 遍历链表中的元素
    traverseLinkedList(&list);
    // 删除某位置的元素
    deleteLinkedElemAtPos(&list, 4);
    // 遍历链表中的元素
    traverseLinkedList(&list);
    // 获取对应值的第一个元素
    testNode = getLinkedElem(&list, 3);
    // 返回某节点的前驱节点
    printf("测试节点的前驱节点的值是：%d\n", getPriorLinkedElem(&list, testNode)->value);
    // 返回某节点的后继节点
    printf("测试节点的后继节点的值是：%d\n", getNextLinkedElem(&list, testNode)->value);
}

　　主函数所在的文件main.c中的代码：

#include <LinkedList.h>

//主函数
int main() {
    testLinkedList(); // 线性表（链式存储）结构的测试
    return 0;
}

　　运行结果如下：

创建链表成功！
清空链表成功！
当前链表长度：0
链表中是否存储着数据：否
成功在表尾添加元素1
成功在表尾添加元素2
成功在表尾添加元素4
成功在表尾添加元素5
成功在表尾添加元素6
1   2   4   5   6
当前链表中第2个元素的值是：2
在第3个位置插入3成功！
在第3个位置插入3成功！
1   2   3   3   4   5   6
成功删除第4个位置上的元素3！
1   2   3   4   5   6
测试节点的前驱节点的值是：2
测试节点的后继节点的值是：4

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.031 s
Press any key to continue.

　　链表分为好几种，上面介绍的这种链表叫做线性链表，它的特点是：线性存储，只能通过前一个节点找到后一个节点，不能通过后一个节点找到前一个节点；

　　链表还有其他的几种，下面来简单介绍：

1、 循环链表：

　　链表的头尾节点相连，形成一个环。

　　实现方式：我们只需要将线性链表稍加改造，将尾节点的下一个节点的指针指向头结点即可。

2、双向链表：

　　既可以通过前一个节点找到后一个节点，也可以通过后一个节点找到前一个节点。

　　实现方式：在线性链表的节点数据结构体中，不但要定义指向一个节点的指针，也要定义指向前一个节点的指针。