【数据结构】吃透单链表！！！（详细解析~）

前言：

上篇文章介绍了顺序表，这篇文章开始着重讲解链表了。
链表有很多种：单、双链表，循环、非循环链表还有带头、不带头的链表。本篇的主要内容是单链表（无头，单向，非循环）。
链表对比顺序表有哪些不同之处，接下来会带大家一起了解~

一.顺序表的缺陷 && 介绍链表

1.顺序表的缺陷

1.头部和中间的插入删除效率都较低，时间复杂度为O(N)。需要挪动数据。
2.空间不够用了，增容需要申请新空间，拷贝数据，释放旧空间。会有不小的消耗。（尤其是异地扩容）
3.扩容会有一定的空间浪费。（例如当前容量为100，满了以后增容到200，我们再继续插入了5个数据，后面没有数据插入了，那么就浪费了95个数据空间）

2.介绍链表

针对顺序表的缺陷，就有了链表这个数据结构

（1）链表的概念

概念：链表是一种物理存储结构上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的 。
特点：按需申请释放

顺序表是数组存储数据的，空间是连续的（可通过一个指针找到所有的值），通过size标记直到没有数据（前面的为size的个数即有效数据）。
链表的每个节点的大小没有关系，也不连续（多次malloc开辟出来的空间是随机的）。它是通过一个头指针（phead）先找到第一个节点，然后通过第一个节点的指针找到第二个节点，第二个节点的指针找到第三个节点，以此类推（通过指针链接）。每个位置的节点都有指针指向下一个，当下一个为空指针的时候，就结束。

（2）链表的结构

物理图：

逻辑图：

链表的节点组成（单链表）：

注意：链表的最后一个节点的next指向空

看到这有些小伙伴可能有些疑惑，链表的每个节点是不连续的，为什么上面的两个图中每个节点都有线连接起来变成看似连续的呢？其实不是这样的，以上的两张图是为了方便理解。实际在内存中每个节点的地址是随机的，只不过用这个节点的指针（next）找到了下一个节点的地址，所以才能实现链接。

（3）链表的功能

链表的功能与顺序表类似，无非是增删查改，在某位置的插入与删除，对数据内容进行管理和操作。

二.单链表的实现

还是以多文件的形式分模块写

SList.h——函数和类型的声明
SList.c——函数的实现
Test.c——进行测试

1.创建节点的结构

单链表一个节点的结构：

存放数据：data
结构体指针：next

注意：不能这样写：

typedef int SListDataType;//方便更改存储的数据类型
typedef struct SListNode
{SListDataType data;SLTNode* next;
}SLTNode;//  <-重定义开始生效的位置

因为typedef重定义结构体类型的名称是在上面有箭头的一行开始生效，生效了才能使用，在前面就提前使用就会出现错误。

正确写法：

typedef int SListDataType;//方便更改存储的数据类型
typedef struct SListNode
{SListDataType data;struct SListNode* next;
}SLTNode;

2.头文件函数的声明

1.打印单链表
2.创建一个节点
3.尾插
4.头插
5.尾删
6.头删
7.查找（包含修改）
8.在pos位置前插入
9.在pos位置后插入
10.删除pos位置的节点
11.删除pos位置后一个的节点
12.清理单链表

//打印单链表
void SLTPrint(SLTNode* phead);
//创建一个节点
SLTNode* BuySLTNode(SListDataType x);
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SListDataType x);
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SListDataType x);
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SListDataType x);
//在pos位置前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SListDataType x);
//在pos位置后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SListDataType x);
//删除pos位置的节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
//删除pos位置后一个的节点
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos);
//清理单链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead);

3.函数的实现

（1）打印单链表

创建一个结构体指针变量（cur），使它指向第一个节点（把头指针覆给cur）。利用循环如果cur不是空指针，就打印cur所指向的数据，然后cur往后走（到下一个节点）。直到cur为空跳出，最后打印NULL（最后一个节点为空指针）。

逻辑图：

物理图：

注意：与顺序表不同，顺序表传过来的指针一定不为空；链表传过来的指针可能为空，比如链表没有节点，头指针指向的就是NULL，所以不需要断言头指针。

所以在测试的文件里（Test.c）刚开始要让头指针指向NULL

SLTNode * plist = NULL;

void SLTPrint(SLTNode* phead)
{SLTNode* cur = phead;while (cur){printf("%d->", cur->data);cur = cur->next;}printf("NULL\n");
}

（2）创建一个节点

为了方便后面的尾插、头插等操作，所以写个函数来创建一个新节点。
新节点的类型也是结构体指针，用malloc函数开辟一个新节点。如果新节点为空就报错。然后给新节点的data赋值，next为空，返回这个节点（方便其他的函数使用）

SLTNode* BuySLTNode(SListDataType x)
{SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;return newnode;
}

（3）尾插

尾插一个新节点，假设有多个节点，首先要找到尾，定义一个变量tail去遍历链表找到尾
注意：用tail遍历找尾再尾插时不能写成：

       SLTNode* tail = *pphead;while (tail){tail = tail->next;}tail = newnode;		

这段代码看似没有什么问题，其实是与正确的代码差别很大。
tail刚开始指向第一个节点，如果不为空，到下一个节点；当tail为空时跳出循环，把newnode的值（新节点的地址）赋给tail。
如图：

这里有一个问题，tail里面存放的是新节点的地址，但是原来链表的最后一个节点的next指针并没有存放新节点的地址，也就是说最后一个节点没有与新节点连接起来，就没有尾插了。其次还有可能存在内存泄漏，新创建的节点丢了。

因为tail是局部变量，newnode和phead也是，它们出这个函数就销毁了，所以给tail这个变量赋新节点的地址没有用。

要成功完成尾插，就必须改变结构体的内容，让最后一个节点的next指针指向新节点的地址。

这里大家可能有些疑惑，既然tail销毁了，那么链表的这些节点会不会销毁呢？
答案是不会，因为这些节点是malloc出来的，malloc在堆上开辟的空间，只有自己主动free释放掉才能销毁。

正确的思路：
首先想到的是要改变结构体（节点）的内容，那么tail这个指针变量就不能到空结束，而是到最后一个节点结束（tail的next为空就结束，tail的位置指向最后一个节点）。

此时尾节点的next为空，我们要做的是让尾节点的next存放新节点的地址。让tail的next存放newnode的值（新节点的地址），就可以改变结构体的内容。

找尾尾插正确的一小段代码：

		SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next){tail = tail->next;}tail->next = newnode;

还有一种情况，如果刚开始链表没有节点，就不需要找尾了。直接将新节点的地址给头指针（plist）就行

但是这种情况要注意什么呢？
以下是错误示范：

	if (phead == NULL){phead = newnode;}

这个代码的意思如图所示：

有两个问题：
一：plist没有改变，还是指向空指针；新节点丢了，可能造成内存泄漏。
二：newnode和phead是形参，形参是实参的拷贝，出这个函数就销毁了，改变phead并没有改变plist。

注意！！！：plist是一级指针，改变一级指针需要用到二级指针，并且有解引用操作。所以在函数的参数应该用二级指针来接收（传参时plist要有取地址符才能与二级指针类型对应）

正确的一小段代码：

	if (*pphead == NULL){*pphead = newnode;}

总结：
1.改变结构体，要用结构体指针
2.改变结构体指针，要有结构体指针的指针（即二级指针）

最后一点：什么时候要断言指针
当一级指针（* pphead）为空时不需要断言，因为如果刚开始链表没有节点，* pphead所指向的就是空指针。二级指针pphead存放的是一级指针的地址，一级指针的地址不可能为空，所以二级指针需要断言。

void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SListDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);//原来没有节点，改变结构体指针，用二级指针if (*pphead == NULL){*pphead = newnode;}//原来有节点，改变结构体，用结构体指针else{SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next){tail = tail->next;}tail->next = newnode;}
}

（4）头插

头插也需要用到二级指针，因为每次头插头指针（plist）都要连接新的节点。（改变了头指针）
头插时原来链表没有节点与原来链表有节点的思路是一样的

新节点先连接第一个节点或者空指针，然后plist再连接新节点

注意：两者的顺序不能换，因为如果先让plist连接newnode，那么原来链表plist头指针后面的节点就找不到了。newnode再连接plist所指向的下一个节点就是自己，导致死循环。

void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SListDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}

（5）尾删

前面的尾插、头插都有用到二级指针，那么尾删需不需要二级指针呢？接下来我们一点一点的分析：

尾删的大体思路是：找到尾，然后free释放掉尾节点就行。

但是链表有一个很重要的点：前后关联

这里我们定义一个指针变量tail去找尾，把尾节点删掉了，那么原来前一个节点变成新的尾节点，还需要用另一个变量当作原来尾节点的前一个节点，新的尾节点next指针就必须指向NULL（只需要改变结构体），否则就访问野指针了。
有两种写法，这里只展现一种，就用tail一个指针变量，让它的下一个的下一个指针为空时停下（tail->next->next==NULL），此时tail->next就是最后一个节点，tail是前一个节点，修改新的尾节点的next，让tail->next为NULL（改变结构体）就行了。

以上只是包括一类情况：一个以上节点的时候是这样的
如果尾删把节点只删到剩下一个节点时，还是如此吗？

按前面的思路来走，遇到尾节点就把它的前一个节点的next置空。

依图分析，只有一个节点时，前一个节点就不是节点了，是头指针。要让头指针指向NULL，即改变头指针，就要用到二级指针了。
让 * pphead置空，就可以改变头指针

plist 等价于 * pphead

没有节点的情况：
断言 * pphead，为空就不能再删了

void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//空assert(*pphead);//一个节点if ((*pphead)->next == NULL){free(*pphead);*pphead = NULL;}//一个以上的节点else{SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next->next){tail = tail->next;}free(tail->next);tail->next = NULL;}
}

（6）头删

通过前面的分析发现，有改变头指针所指向的内容就要用到二级指针，头删是把第一个节点除去，让头指针指向新的头节点。

画图分析：

当链表没有节点时不能再删了，所以要对 * pphead断言（ * pphead等价于plist即第一个节点）

只有一个节点和有多个节点不需要分开处理，定义一个变量记录原来链表的第二个节点（新的头节点），free释放掉第一个节点，让头指针连接新的头节点

void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//空assert(*pphead);//非空SLTNode* newhead = (*pphead)->next;//注意优先级free(*pphead);//不需要置空，因为头指针直接连接新的头*pphead = newhead;
}

（7）查找

定义一个变量cur遍历链表，先判断cur所指向的数据是否等于x，如果相等，返回cur，否则往后走；找不到返回空指针。

SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SListDataType x)
{assert(phead);SLTNode* cur = phead;while (cur){if (cur->data == x){return cur;}cur = cur->next;}return NULL;
}

查找可以包含修改这个节点的数据

	SLTNode* pos1 = SLTFind(plist, 2);//测试查找+修改if (pos1 != NULL){printf("找到了\n");pos1->data *= 100;SLTPrint(plist);}else{printf("找不到\n");}

（8）在pos位置前插入

要在pos位置前插入一个新节点，首先pos这个位置的节点必须存在，所以要断言pos（后面有pos位置插入删除的函数也要用到）
pos可能在任意一个位置，如果pos在第一个节点，就相当于头插了。头插要改变头指针所指向的内容，所以要用二级指针。直接调用头插的函数即可。

pos不在第一个节点的情况：
首先要定义一个变量prev，遍历链表找到并指向pos的前一个节点，因为插入新的节点必须前后连接起来（单链表的不足之处，后期文章用双向循环带头链表就非常简单）。
当prev->next ！= pos，往后走；==pos时跳出循环，让prev->next连接新节点，新节点的next连接pos，完成插入。

void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SListDataType x)
{assert(pphead);assert(pos);//pos在第一个节点就是头插if (pos == *pphead){SLTPushFront(pphead, x);}else{SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);prev->next = newnode;newnode->next = pos;}
}

（9）在pos位置后插入

因为在pos位置后插入新的节点，所以可以不用头指针了，找到pos位置的下一个节点即可。可以定义一个变量posNext为pos位置的下一个节点，让新节点的next连接posNext，pos->next连接新节点
不需要考虑是不是尾插，因为在哪插入都是一样的

void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SListDataType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);SLTNode* posNext = pos->next;newnode->next = posNext;pos->next = newnode;
}

（10）删除pos位置

删除pos位置的节点，必须把它的前一个节点与后一个节点连接起来，这里就要有头指针，去找pos位置的前一个节点。
我们要考虑一些情况，pos在第一个节点、中间某个节点和尾节点

当pos在第一个节点时，就是头删，要改变头指针指向的内容，所以要用二级指针，然后调用头删的函数即可

如果pos是在中间的某个节点或者尾节点呢？
其实两者的思路是一致的，把pos位置的节点删除，让前一个节点连接后一个节点就行（是尾节点的话，让前一个节点连接空指针）

void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead);assert(pos);if (pos == *pphead){SLTPopFront(pphead);}else{SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}
}

（11）删除pos位置后的节点

要删除pos位置的后一个节点，除了pos这个位置要存在之外，pos位置的后一个节点也必须存在，所以pos->next要断言。假如pos是在尾节点，就没有意义了。

定义一个变量posNext为pos的下一个节点，然后使pos->next指向posNext->next，即把pos位置的节点与posNext的下一个节点连接起来，最后释放掉posNext

void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos);assert(pos->next);//检查是否为尾节点SLTNode* posNext = pos->next;pos->next = posNext->next;free(posNext);posNext = NULL;
}

（12）清理单链表

清理（销毁）链表，必须要一个一个节点清理，因为链表在物理结构上是不连续的。

定义一个变量cur遍历链表，每到一个节点把它释放掉。但是这里又有一个问题，当前节点被释放了，怎么到下一个节点呢？所以我们循环里再定义一个变量next为cur的下一个节点，释放完当前的cur，然后把next赋给cur，这样cur就能到下一个节点了。

最后全部节点释放完，头指针要指向空，这里又有改变头指针了，所以有二级指针。

void SLTDestroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);SLTNode* cur = *pphead;while (cur){SLTNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}*pphead = NULL;
}

三.全部代码

1.SList.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
typedef int SListDataType;//方便更改存储的数据类型
typedef struct SListNode
{SListDataType data;struct SListNode* next;
}SLTNode;
//打印单链表
void SLTPrint(SLTNode* phead);
//创建一个节点
SLTNode* BuySLTNode(SListDataType x);
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SListDataType x);
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SListDataType x);
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead);
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead);
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SListDataType x);
//在pos位置前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SListDataType x);
//在pos位置后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SListDataType x);
//删除pos位置的节点
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos);
//删除pos位置后一个的节点
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos);
//清理单链表
void SLTDestroy(SLTNode** pphead);

2.SList.c

#include "SList.h"
//打印
void SLTPrint(SLTNode* phead)
{SLTNode* cur = phead;while (cur){printf("%d->", cur->data);cur = cur->next;}printf("NULL\n");
}
//创建一个节点
SLTNode* BuySLTNode(SListDataType x)
{SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;return newnode;
}
//尾插
void SLTPushBack(SLTNode** pphead, SListDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);//原来没有节点，改变结构体指针，用二级指针if (*pphead == NULL){*pphead = newnode;}//原来有节点，改变结构体，用结构体指针else{SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next){tail = tail->next;}tail->next = newnode;}
}
//头插
void SLTPushFront(SLTNode** pphead, SListDataType x)
{assert(pphead);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);newnode->next = *pphead;*pphead = newnode;
}
//尾删
void SLTPopBack(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//空assert(*pphead);//一个节点if ((*pphead)->next == NULL){free(*pphead);*pphead = NULL;}//一个以上的节点else{SLTNode* tail = *pphead;while (tail->next->next){tail = tail->next;}free(tail->next);tail->next = NULL;}
}
//头删
void SLTPopFront(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);//空assert(*pphead);//非空SLTNode* newhead = (*pphead)->next;//注意优先级free(*pphead);//不需要置空，因为头指针直接连接新的头*pphead = newhead;
}
//查找
SLTNode* SLTFind(SLTNode* phead, SListDataType x)
{assert(phead);SLTNode* cur = phead;while (cur){if (cur->data == x){return cur;}cur = cur->next;}return NULL;
}
//在pos位置前插入
void SLTInsert(SLTNode** pphead, SLTNode* pos, SListDataType x)
{assert(pphead);assert(pos);//pos在第一个节点就是头插if (pos == *pphead){SLTPushFront(pphead, x);}else{SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);prev->next = newnode;newnode->next = pos;}
}
//在pos位置后插入
void SLTInsertAfter(SLTNode* pos, SListDataType x)
{assert(pos);SLTNode* newnode = BuySLTNode(x);SLTNode* posNext = pos->next;newnode->next = posNext;pos->next = newnode;
}
//删除pos位置
void SLTErase(SLTNode** pphead, SLTNode* pos)
{assert(pphead);assert(pos);if (pos == *pphead){SLTPopFront(pphead);}else{SLTNode* prev = *pphead;while (prev->next != pos){prev = prev->next;}prev->next = pos->next;free(pos);pos = NULL;}
}
//删除pos位置后的节点
void SLTEraseAfter(SLTNode* pos)
{assert(pos);assert(pos->next);//检查是否为尾节点SLTNode* posNext = pos->next;pos->next = posNext->next;free(posNext);posNext = NULL;
}
//清理
void SLTDestroy(SLTNode** pphead)
{assert(pphead);SLTNode* cur = *pphead;while (cur){SLTNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}*pphead = NULL;
}

3.Test.c

#include "SList.h"
test()
{SLTNode* plist = NULL;SLTPushBack(&plist, 1);SLTPushBack(&plist, 2);SLTPushBack(&plist, 3);SLTPushBack(&plist, 4);SLTPushBack(&plist, 5);//测试尾插SLTPrint(plist);SLTPushFront(&plist, 10);SLTPushFront(&plist, 20);SLTPushFront(&plist, 30);SLTPushFront(&plist, 40);//测试头插SLTPrint(plist);SLTPopBack(&plist);SLTPopBack(&plist);SLTPopBack(&plist);//测试尾删SLTPrint(plist);SLTPopFront(&plist);SLTPopFront(&plist);//测试头删SLTPrint(plist);SLTNode* pos1 = SLTFind(plist, 2);//测试查找+修改if (pos1 != NULL){printf("找到了\n");pos1->data *= 100;SLTPrint(plist);}else{printf("找不到\n");}SLTNode* pos2 = SLTFind(plist, 10);//测试pos位置前插入if (pos2){SLTInsert(&plist, pos2, 66);SLTPrint(plist);}SLTNode* pos3 = SLTFind(plist, 20);//测试pos位置后插入if (pos3){SLTInsertAfter(pos3, 77);SLTPrint(plist);}SLTNode* pos4 = SLTFind(plist, 1);//测试删除pos位置if (pos4){SLTErase(&plist, pos4);SLTPrint(plist);}SLTNode* pos5 = SLTFind(plist, 66);//测试删除pos位置的后一个节点if (pos5){SLTEraseAfter(pos5);SLTPrint(plist);}SLTDestroy(&plist);
}
int main()
{test();return 0;
}

总算把最费劲的写完了，感谢铁子们的观看，期待大家的支持~