【数据结构与算法之美】06-链表（下）：如何轻松写出正确的链表代码

　　上篇博客总结了链表的基本理论，但可能还不足以让我们轻松写出链表的代码。链表的理论，大多数人都知道。但在面试中，能把“链表反转”这几行代码写对的人不足 10%。

　　本篇博客就整理一些写链表代码的技巧，以期从实战的角度，更好地掌握链表。

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一、理解指针或引用的含义

　　链表的结构本身并不是很难理解，难度主要在于指针的操作。要想写对链表代码，首先就要理解好指针。

如何理解指针

　　有些语言有“指针”的概念，比如 C 语言。有些语言没有指针，取而代之的是“引用”，比如 Java、Python。不管是“指针”还是“引用”，实际上，它们都表示存储所指对象的内存地址。为了便于描述，我们在后文统一称之为指针，并用 C 语言进行描述。使用 Java 或者其他没有指针的语言也没关系，把它理解成“引用”就可以了。

　　实际上，指针的本质就是两句话：

• 将某个变量赋值给指针，实际上就是将这个变量的地址赋值给指针；
• 指针中存储这个变量的内存地址，通过指针就能找到这个变量。

链表中常见的指针代码

　　在编写链表代码时，经常看到类似 p->next=q 的代码。其含义为：p 结点中的 next 指针存储了 q 结点的内存地址。

　　还有一种形式，写链表代码时也经常会用到：p->next=p->next->next。其含义为：p 结点的 next 指针存储了 p 结点的下下一个结点的内存地址。

 

二、警惕指针丢失和内存泄漏

　　写链表代码的时候，指针移来移去，很容易就不知道指到哪里了。所以，写链表代码的时候，一定不要弄丢指针。我们以单链表的插入操作为示例，看看指针是如何弄丢的：

　　如图所示，我们希望在结点 a 和相邻的结点 b 之间插入结点 x，假设当前指针 p 指向结点 a。如果我们将代码实现变成下面这个样子，就会发生指针丢失和内存泄露。

p->next = x;        // 将p的next指针指向x结点；
x->next = p->next;  // 将x的结点的next指针指向b结点；

　　初学者经常会在这儿犯错。p->next 指针在完成第一步操作之后，已经不再指向结点 b 了，而是指向结点 x。第 2 行代码相当于将 x 赋值给 x->next，自己指向自己。因此，整个链表也就断成了两半，从结点 b 往后的所有结点都无法访问到了。

　　对于有些语言来说，比如 C 语言，内存管理是由程序员负责的，如果没有手动释放结点对应的内存空间，就会产生内存泄露。所以，我们插入结点时，一定要注意操作的顺序，要先将结点 x 的 next 指针指向结点 b，再把结点 a 的 next 指针指向结点 x，这样才不会丢失指针，导致内存泄漏。所以，对于刚刚的插入代码，我们只需要把第 1 行和第 2 行代码的顺序颠倒一下就可以了。

　　同理，删除链表结点时，也一定要记得手动释放内存空间，否则，也会出现内存泄漏的问题。当然，对于像 Java 这种虚拟机自动管理内存的编程语言来说，就不需要考虑这么多了。

 

三、利用哨兵简化实现难度

单链表普通结点插入

　　首先，我们先来回顾一下单链表的插入和删除操作。如果我们在结点 p 后面插入一个新的结点，只需要下面两行代码就可以搞定。

new_node->next = p->next;
p->next = new_node;

单链表插入第一个结点

　　向一个空链表中插入第一个结点时，上面的逻辑就不能用了。此时处理方式如下，其中 head 表示链表的头结点。从以下代码可知，对于单链表而言，第一个结点和其他结点的插入逻辑是不同的。

if (head == null)
{
    head = new_node;
}

单链表普通结点删除

　　我们再来看单链表结点删除操作。如果要删除结点 p 的后继结点，我们只需要一行代码就可以搞定。

p->next = p->next->next;

单链表删除最后的结点

　　如果单链表中只有一个结点，p->next 为 null，上面的逻辑自然不适用了。这种情况也需要特殊处理。代码如下：

if (head->next == null)
{
    head = null;
}

　　从前面的分析可知，链表插入第一个结点和删除最后一个结点的情况需要特殊处理。这样代码实现起来会很繁琐，而且也容易因为考虑不全而出错。我们可以使用哨兵来解决这种问题。顾名思义，哨兵是解决“边界问题”的，不直接参与业务逻辑。

　　我们之前是如何表示空链表的？head=null 表示链表中没有结点了。其中 head 表示头结点指针，指向链表中的第一个结点。

　　接下来我们引入哨兵结点。不管链表是不是空，head 指针一直指向这个哨兵结点。我们也把这种有哨兵结点的链表叫带头链表。相反，没有哨兵结点的链表就叫作不带头链表。

　　我画了一个带头链表，你可以发现，哨兵结点是不存储数据的。因为哨兵结点一直存在，所以插入第一个结点和插入其他结点，删除最后一个结点和删除其他结点，都可以统一为相同的代码实现逻辑了。

　　实际上，这种利用哨兵简化编程难度的技巧，在很多代码实现中都有用到，比如插入排序、归并排序、动态规划等。这些内容我们后面才会讲，现在为了让你感受更深，我再举一个非常简单的例子。代码我是用 C 语言实现的，不涉及语言方面的高级语法，很容易看懂，你可以类比到你熟悉的语言。

　　代码一：

// 在数组a中，查找key，返回key所在的位置
// 其中，n表示数组a的长度
int find(char* a, int n, char key)
{
    // 边界条件处理，如果a为空，或者n<=0，说明数组中没有数据，就不用while循环比较了
    if(a == null || n <= 0)
    {
        return -1;
    }

    int i = 0;
    
    // 这里有两个比较操作：i<n和a[i]==key.
    while (i < n)
    {
        if (a[i] == key)
        {
            return i;
        }
        ++i;
    }

    return -1;
}

　　代码二：

// 在数组a中，查找key，返回key所在的位置
// 其中，n表示数组a的长度
// 我举2个例子，你可以拿例子走一下代码
// a = {4, 2, 3, 5, 9, 6}  n=6 key = 7
// a = {4, 2, 3, 5, 9, 6}  n=6 key = 6
int find(char* a, int n, char key)
{
    if(a == null || n <= 0)
    {
        return -1;
    }

    // 这里因为要将a[n-1]的值替换成key，所以要特殊处理这个值
    if (a[n-1] == key)
    {
        return n-1;
    }

    // 把a[n-1]的值临时保存在变量tmp中，以便之后恢复。tmp=6。
    // 之所以这样做的目的是：希望find()代码不要改变a数组中的内容
    char tmp = a[n-1];

    // 把key的值放到a[n-1]中，此时a = {4, 2, 3, 5, 9, 7}
    a[n-1] = key;

    int i = 0;

    // while 循环比起代码一，少了i<n这个比较操作
    while (a[i] != key)
    {
        ++i;
    }

    // 恢复a[n-1]原来的值,此时a= {4, 2, 3, 5, 9, 6}
    a[n-1] = tmp;

    if (i == n-1)
    {
        // 如果i == n-1说明，在0...n-2之间都没有key，所以返回-1
        return -1;
    }
    else
    {
        // 否则，返回i，就是等于key值的元素的下标
        return i;
    }
}

　　对比两段代码，在字符串 a 很长的时候，比如几万、几十万，你觉得哪段代码运行得更快点呢？答案是代码二，因为两段代码中执行次数最多就是 while 循环那一部分。第二段代码中，我们通过一个哨兵 a[n-1] = key，成功省掉了一个比较语句 i<n，不要小看这一条语句，当累积执行万次、几十万次时，累积的时间就很明显了。

　　当然，这只是为了举例说明哨兵的作用，你写代码的时候千万不要写第二段那样的代码，因为可读性太差了。大部分情况下，我们并不需要如此追求极致的性能。

 

四、重点留意边界条件处理

　　软件开发中，代码在一些边界或者异常情况下，最容易产生 Bug。要实现没有 Bug 的链表代码，一定要在编写的过程中以及编写完成之后，检查边界条件是否考虑全面，以及代码在边界条件下是否能正确运行。

　　经常用来检查链表代码是否正确的边界条件有这样几个：

• 如果链表为空时，代码是否能正常工作？
• 如果链表只包含一个结点时，代码是否能正常工作？
• 如果链表只包含两个结点时，代码是否能正常工作？
• 代码逻辑在处理头结点和尾结点的时候，是否能正常工作？

　　链表代码除了要验证对于普通结点能否工作，还要注意验证上面四个边界条件。如果这些边界条件下都没有问题，那基本上可以认为没有问题了。

　　当然，边界条件不止这些。针对不同的场景，可能还有特定的边界条件，这个需要视情况而定，但套路都是一样的。

　　实际上，在写任何代码时，千万不要只是实现业务正常情况下的功能就好了。一定要多想想，可能会遇到哪些边界情况或者异常情况。遇到了应该如何应对，这样写出来的代码才够健壮！

 

五、举例画图，辅助思考

　　对于稍微复杂的链表操作，比如前面我们提到的单链表反转，指针一会儿指这，一会儿指那，一会儿就被绕晕了。此时就要使用举例法和画图法。

　　可以找一个具体的例子，把它画在纸上，这样就会感觉到思路清晰很多。比如往单链表中插入一个结点，可以把各种情况都举一个例子，画出插入前和插入后的链表变化，如图所示：

　　看图写代码，就简单多了。写完代码之后，也可以举几个例子，画在纸上，照着代码走一遍，很容易就能发现代码中的 Bug。

 

六、多写多练

　　下面是 5 个常见的链表操作。只要把这几个操作写熟练，就再也不会害怕写链表代码了。

• 单链表反转
• 链表中环的检测
• 两个有序的链表合并
• 删除链表倒数第 n 个结点
• 求链表的中间结点

 

七、内容小结

　　本篇博客主要你讲了写出正确链表代码的六个技巧：

• 理解指针或引用的含义；
• 警惕指针丢失和内存泄漏；
• 利用哨兵简化实现难度；
• 重点留意边界条件处理；
• 举例画图；
• 多写多练。

　　写链表代码是最考验逻辑思维能力的。因为，链表代码指针操作频繁，且需考虑边界条件的处理，稍有不慎就容易产生 Bug。链表代码写得好坏，可以看出一个人写代码是否够细心，考虑问题是否全面，思维是否缜密。所以，这也是很多面试官喜欢让人手写链表代码的原因。

思考题

　　今天我们讲到用哨兵来简化编码实现，你是否还能够想到其他场景，利用哨兵可以大大地简化编码难度？