C++ - 结构体模拟链表

从一段代码说起：C++ 结构体指针与链表的实现

先来看你提供的这段代码（略有整理）：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

struct Node {
    int data;
    Node *pre = nullptr;
    Node *next = nullptr;
};

int main() {
    Node *head = new Node;
    head->data = 10;

    Node *current = head;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        Node *an = new Node;
        an->data = i;
        current->next = an;
        an->pre = current;
        current = an;
    }

    Node *it = head;
    while (it != nullptr) {
        cout << it->data << endl;
        it = it->next;
    }
    return 0;
}

这段代码用结构体 Node 定义了一个双向链表的节点，在 main 函数中创建了一个含有 11 个节点的链表（头结点数据为 10，后面依次为 0,1,...,9），最后从头到尾遍历输出。虽然功能简单，但已经包含了动态内存分配、指针操作、链表链接等核心概念。下面我们从结构体指针讲起，再深入理解链表。

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一、C++ 结构体与指针

1.1 结构体的本质

结构体是一种将不同数据组合在一起的自定义类型。在 C++ 中，结构体与类的区别很小（默认访问权限不同），完全可以拥有成员变量、成员函数、构造函数等。

上面的 Node 结构体包含：

• 一个整数 data 存储数据。
• 两个指向 Node 类型的指针 pre 和 next，分别指向前一个和后一个节点。

这里的关键是：结构体内部可以包含指向自身类型（或其它结构体类型）的指针。这是实现链表、树等动态数据结构的基础。

1.2 结构体指针的定义与使用

Node *head = new Node;   // 动态分配一个 Node 对象，返回其地址，存入指针 head

• Node * 是指向 Node 类型变量的指针类型。
• new Node 在堆上创建一个 Node 对象，调用默认构造函数（这里没有显式定义构造函数，但 C++ 会生成一个默认的，将 pre 和 next 初始化为 nullptr，data 未初始化，不过我们在下一行赋值为 10 了）。
• 通过 -> 运算符访问指针所指向对象的成员：head->data = 10; 等价于 (*head).data = 10;。

1.3 为什么需要结构体指针？

• 动态性：链表的节点数量在程序运行时才确定，无法用静态数组固定大小。使用 new 动态创建节点，用指针将它们串联。
• 节省内存：不需要预先分配一大块连续内存，按需分配，删除节点时也可释放内存。
• 高效插入/删除：数组中间插入需要移动大量元素，而链表只需改变相邻节点的指针指向，这得益于指针的间接寻址能力。

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二、用结构体实现一个简单的链表

链表是由一系列节点组成的数据结构，每个节点至少包含数据域和指向下一个节点的指针。双向链表还包含指向前一个节点的指针。

2.1 单链表 vs 双向链表

• 单链表：只有 next 指针，只能从前往后遍历，插入/删除时需要知道前驱节点。
• 双向链表：同时有 prev 和 next，可以双向遍历，删除任意节点更方便（无需额外找前驱）。

你的代码实现的是双向链表，但只演示了向后链接和正向遍历。

2.2 代码分步解析

第一步：创建头节点

Node *head = new Node;
head->data = 10;

head 是链表的第一个节点，它的 pre 为 nullptr，next 也为 nullptr。

第二步：用循环添加后续节点

Node *current = head;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    Node *an = new Node;
    an->data = i;
    current->next = an;   // 当前节点的 next 指向新节点
    an->pre = current;    // 新节点的 pre 指向当前节点
    current = an;         // 移动 current 到新节点，为下一次添加做准备
}

• current 始终指向链表的最后一个节点（尾节点）。
• 每次新建一个节点 an，将其链接到 current 的后面，然后更新 current。
• 循环结束后，链表结构为：head(10) <-> node(0) <-> node(1) <-> ... <-> node(9)。注意：头节点后面的第一个节点数据是 0，接着是 1，依此类推。

第三步：遍历并输出

Node *it = head;
while (it != nullptr) {
    cout << it->data << endl;
    it = it->next;
}

• 从头节点开始，沿着 next 指针一直走到链表末尾（nullptr）。
• 输出结果依次为 10, 0, 1, …, 9。

2.3 常见注意事项

1. 内存泄漏：代码中没有释放动态分配的节点。实际编程中，应在使用完毕后用 delete 逐个释放：

   Node *tmp;
   while (head != nullptr) {
       tmp = head;
       head = head->next;
       delete tmp;
   }
   

2. 指针未初始化：C++ 中局部指针变量的初值是不确定的（野指针）。幸运的是，new Node 会调用默认构造函数，而我们在结构体定义中已经给了 pre 和 next 的类内初始值 nullptr，所以每个新节点的两个指针都是安全的。

3. 双向链表的优势未体现：代码只使用了 next 遍历，没有用到 pre。若需要逆向遍历，可从尾节点开始用 pre 指针。

4. 头节点的处理：本示例中头节点也存储有效数据（10）。有时会使用“哑头节点”（dummy head）不存数据，以简化插入/删除操作，避免特殊处理空链表。

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三、扩展思考：结构体指针与类的对比

C++ 的 struct 完全可以像 class 一样拥有构造函数、析构函数，实现 RAII 管理资源。例如：

struct Node {
    int data;
    Node *pre, *next;
    Node(int val = 0) : data(val), pre(nullptr), next(nullptr) {}
};

这样在 new Node(10) 时就会自动初始化 data 为 10，pre 和 next 为 nullptr。使用构造函数可以避免忘记赋初值的问题。

另外，使用智能指针（如 std::unique_ptr<Node>）可以自动管理内存，但环形引用会使析构变得复杂，因此原始指针在链表实现中仍然很常见。