数据结构学习笔记(五)--单链表

数据结构学习笔记(五)--单链表

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单链表的定义

为用链式存储的方式实现的线性表，与顺序表的异同如图所示：

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用代码定义一个单链表

用c/c++实现，如下：

typedef struct LNode{ //定义单链表节点类型
    int data; //每个节点存放一个整型元素
    struct LNode *next; //指针指向下一个节点
} LNode, *LinkList; //对变量及指针分别命名

代码其实等价于：

typedef struct LNode{ //定义单链表节点类型
    int data; //每个节点存放一个整型元素
    struct LNode *next; //指针指向下一个节点
};

typedef struct LNode LNode; //对结构体变量 struct LNode 重命名为LNode
typedef struct LNode *Linklist; //对指向结构体变量 struct LNode 的指针重命名为LinkList（等价于LNode *,但侧重于单链表本身，可读性更强）

初始化一个单链表

不带头结点

用C/C++表示，如下：

typedef struct LNode{ //定义单链表节点类型
    int data; //每个节点存放一个整型元素
    struct LNode *next; //指针指向下一个节点
} LNode, *LinkList; //对变量及指针分别命名

//初始化一个空的单链表(即不带头结点)
bool InitList(LinkList &L) {
    L = NULL; //空表，暂时还没有任何节点(防止脏数据)
    return true;
}

int main(){
    LinkList L; //声明一个指向单链表的指针
    //初始化一个空表
    InitList(L);
    //......后续代码....
    return 0;
}

判断是否为空

用C/C++表示，如下：

bool Empty(LinkList L){
    return (L==NULL);
}

带头结点

头指针并不初始化，而分配一个初始值，用C/C++表示，如下：

//定义节点类型不变，还是一样
typedef struct LNode{ //定义单链表节点类型
    int data; //每个节点存放一个整型元素
    struct LNode *next; //指针指向下一个节点
} LNode, *LinkList; //对变量及指针分别命名

//初始化一个单链表(带头结点)
bool InitList(LinkList &L) {
    L = (LNode *) malloc(sizeof(LNode)); //内存中分配一个头结点那么大的空间给该指针
    if(L==NULL){ //内存不足，分配失败
        return false;
    }
    L->next = NULL; //头结点之后暂时还没有结点，头结点的下一指针指向空（即初始化）
    return true;
}

判断是否为空

用C/C++表示，如下：

bool Empty(LinkList L){
    //这里判断头结点的下一个节点是否为空
    return (L->next==NULL);
}

是否带头结点的区别

不带头结点，写代码更麻烦，对第一个数据节点和后续节点的代码逻辑不同，对空表与非空表的处理也需要用不同的代码逻辑；而带头结点则不然。因此，带头结点更方便。

不带头结点的头指针指向的结点会存放数据元素。

带头结点的头指针指向的结点不会存放数据元素，只存放下一节点的指针

如图所示：

image-20220702183809382

单链表的基本操作

位序插入

​ 分为带头结点与不带头结点两部分。

带头结点

大致思路为：

  1. 根据单链表指针指向遍历，从表头一直指向所需位序的上一个结点P。
  2. 新建一个结点S。
  3. 将新建结点S的data值赋值，再将next指针赋值为上一个结点P的next指针指向。
  4. 再将P的next指针指向S。
代码实现

用C/C++表示，如下：

//在第i个位置插入元素e(带头结点)
bool ListInsert(LinkList &L,int i,int e){
    if(i<1)
        return false;
    LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
    int j = 0; //当前p指向结点的位序
    p = L; //L指向头结点，头结点是第0个结点（不存数据）
    while(p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
        p=p->next;
        j++;
    }
    if(p==NULL) //i值不合法，由所查位序大于单链表本身长度所致
        return false;
    LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
    s->data = e;
    s->next = p->next;
    p->next = s; //将结点s连到p之后
    return true; //插入成功
}
插入操作的时间复杂度
  • 最好情况：结点插入到表头，最好时间复杂度 = O(1)
  • 最坏情况：结点插入到表尾，最坏时间复杂度 = O(n)
  • 平均情况：结点插入到表中，平均时间复杂度 = O(n)

不带头结点

大致思路与带头结点类似，但需要注意：

  • 不带头结点的单链表对插入表头需要特殊处理
  • 插入表头时，先由内存分配一个新节点s，对其赋值data，并将节点的next指针赋值，指向原来的表头所在节点。
  • 然后将原来的头指针指向新结点s
  • 之后的结点处理与带头结点的相同，但不带头结点的单链表没有位序为0的头结点，所以位序从1开始。
代码实现

用C/C++表示，如下：

//在第i个位置插入元素e(不带头结点)
bool ListInsert(LinkList &L,int i,int e){
    if(i<1)
        return false;
    if(i==1){ //插入第一个结点的操作与其他结点操作不同
        LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
        s->data = e;
        s->next = L; //第一个结点next指针指向原来的第一个结点
        L = s; //头指针指向新结点
        return true;
    }
    LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
    int j = 1; //当前p指向结点的位序（这里和带头指针的不同）
    p = L; //L指向头结点，头结点是第0个结点（不存数据）
    while(p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
        p=p->next;
        j++;
    }
    if(p==NULL) //i值不合法，由所查位序大于单链表本身长度所致
        return false;
    LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
    s->data = e;
    s->next = p->next;
    p->next = s; //将结点s连到p之后
    return true; //插入成功
}
插入操作的时间复杂度

与带头节点的插入操作时间复杂度一致，不再赘述。

指定结点的插入

可分为指定结点的后插与前插，这里默认以带头结点执行。

后插

在指定结点p后插入元素 e，实际上为位序插入的后半段代码逻辑。

代码实现

用C/C++表示，如下：

//后插操作：在P结点之后插入元素e
bool InsertNextNode(LNode *p,int e){
    if(p==NULL) //结点不存在
        return false;
    LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
    if(s == NULL) //内存分配失败。可能是由于空间不足
        return false; 
    s->data = e; //用结点s保存元素e
    s->next = p->next;
    p->next = s; //将结点s连到p之后
    return true; //插入成功
}
插入操作的时间复杂度

时间复杂度为O(1)，牛逼的很。

前插

单链表的结点不指向前一个结点，故初步逻辑为从头指针开始遍历，找到需要插入的结点的前一位，再将其插入，如果这样的话，方法还需要传染头指针的参数，时间复杂度也为O(n)，很不爽。故采用第二种方案。

方案二：依旧采用指定结点后插的方式，插入新结点，但插入之后将指定结点p与新结点s的data值调换，实现偷天换日的骚操作。

代码实现

这里采用方案二，用C/C++表示，如下：

//前插操作：在P结点之前插入元素e
bool InsertPriorNode(LNode *p,int e){
    if(p==NULL) //结点不存在
        return false;
    LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
    if(s == NULL) //内存分配失败。可能是由于空间不足
        return false; 
    s->next = p->next;
    p->next = s; //将结点s连到p之后
    s->data = p->data; //将p中元素复制到s中
    p->data = e; //p中元素覆盖为e
    return true; //插入成功
}
插入操作的时间复杂度

时间复杂度为O(1)，骚的很。

删除

这里只探讨带头结点的删除，分为按位序删除和指定结点删除。

按位序删除

逻辑为遍历单链表L，将指定位序的前一个结点的指针指向指定位序的后一个结点（即指定位序的next值），再通过free函数释放掉指定位序的结点，并返回指定结点的data值

代码实现

用C/C++表示，如下：

//在第i个位置删除结点q(带头结点)
bool ListDelete(LinkList &L,int i,int &e){
    if(i<1)
        return false;
    LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
    int j = 0; //当前p指向结点的位序
    p = L; //L指向头结点，头结点是第0个结点（不存数据）
    while(p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
        p=p->next;
        j++;
    }
    if(p==NULL) //i值不合法，由所查位序大于单链表本身长度所致
        return false;
    if(p->next == NULL) //第i-1个结点后已无其他结点
        return false;
    LNode *q = p->next; //另q指向被删除的结点
    e = q->data; //用e元素返回元素的值
    p->next = q->next; //将*q结点从链中"断开"
    free(q); //释放被删除结点的存储空间
    return true; //删除成功
}
删除操作的时间复杂度
  • 最好情况：删除表头结点，最好时间复杂度 = O(1)
  • 最坏情况：删除表尾结点，最坏时间复杂度 = O(n)
  • 平均情况：删除表中结点，平均时间复杂度 = O(n)

指定结点删除

由于指定结点并不能通过指针定位到结点本身（结点中的指针数据只指向下一位），故传统方案只能通过遍历头结点来找到自己的指定结点，这里不做赘述。

取巧方案逻辑与指定结点的前插类似。将指定结点的data值赋值为指定结点的后继结点，再将指定结点的next指针值赋值为后继结点的next指针值，此时指定结点直接指向后继的后继结点。并且指定结点的data值也等于后继结点，此时可以说指定结点在效果上被删除了（自己的理解），这时，我们再将指定结点的后续节点释放内存，防止内存泄漏。

注：如果指定结点是最后一个结点，该方案无效，依旧得按传统方案从表头遍历。

代码实现

取巧方案的删除法，用C/C++表示，如下：

//删除指定结点p(不适用于删除最后一个结点)
bool DeleteNode(LNode *p){
    if(p==NULL)
        return false;
    LNode *q = p->next; //用q指向p的后继结点
    p->data = q->data; //将后继结点的数据域赋值给自己，把自己变成后续节点的模样
    p->next = q->next; //指向原本后续结点指向的next
    free(q); //释放后继结点的存储空间
    return true;
}
删除操作的时间复杂度

通过取巧方案的骚操作，时间复杂度为O(1)。

查找

​ 这里只探讨单链表带头结点的查找。

按位查找

​ 按位查找的逻辑其实已经在实现插入和删除算法时有所实现，唯一区别为插入删除时，所要查找的结点为位序为i-1的结点，而我们现在要找的是i所在节点并返回。

代码实现

用C/C++表示，如下：

//按位查找，返回第i个元素（带头结点）
LNode * GetElem(LinkList L, int i){
    if(i<0){
        return NULL;
    }
    LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
    int j = 0;//当前p指向的位序
    p = L; //L指向头结点，头结点是第0个结点（不存数据）
    while(p!=NULL && j<i){ //循环找到第i个结点
        p = p->next;
        j++;
    }
    return p;
}
时间复杂度
  • 最好情况：表头结点，最好时间复杂度 = O(1)
  • 最坏情况：表尾结点，最坏时间复杂度 = O(n)
  • 平均情况：表中结点，平均时间复杂度 = O(n)

其实这些与问题规模n(单链表L的长度)有直接的关系的算法，时间复杂度直接为O(n)即可，之后不赘述

按值查找

代码实现

用C/C++表示，如下：

//按值查找，找到数据域==e的结点（带头结点）
LNode * LocateElem(LinkList L, int e){
    LNode *p = L->next;
    //从第一个结点开始查找数据域为e的结点
    while(p!=NULL && p->data !=e)
        p = p->next;
    return p; //找到后返回该指针，否则返回NULL
}
时间复杂度

​ 时间复杂度就是O(n)，这里不赘述好坏情况。

求表的长度

这里默认不带头结点。

思考：带头结点咋子整？

代码实现

用C/C++表示，如下：

//求表的长度（带头结点）
int Length(LinkList L){
    int len = 0; //统计表长
    LNode * p = L;
    while(p->next !=NULL){
        p = p->next;
        len++;
    }
    return len;
}
时间复杂度

O(n)

单链表的建立

如果多个数据元素，需要存入单链表中。如何？

  1. 初始化一个单链表。
  2. 每次取一个数据元素，插入到表尾\表头（尾插法/头插法）。

这里我们仅探讨带头结点的情况。

尾插法

核心思想与后插相同，唯一区别为多了一个指向表尾的记录指针r，以减少时间复杂度。

代码实现

用C/C++表示，如下：

//尾插法建立单链表
LinkList List_TailInsert(LinkList &L){ //正向建立单链表
    int x;
    L = (LinkList)malloc(sizeof(LNode)); //建立头结点(初始化空表)
    LNode *s,*r = L; //r为表尾指针
    scanf("%d",&x); //输入结点的值
    while(x!=9999){ //输入9999表示结束
        s=(LNode *)malloc(sizeof(LNode));
        s->data = x;
        r->next = s;
        r = s; //指针指向新的表尾结点（永远表示r指向最后一个结点）
        scanf("%d",&x);
    }
    r->next = NULL; //尾指针结点置空
    return L;
}
时间复杂度

随问题规模变化，为O(n)

思考：不带头结点咋子整？

头插法

核心思想与后插相同，每次头插向头结点的下一个节点。

代码实现

用C/C++表示，如下：

//头插法建立单链表
LinkList List_HeadInsert(LinkList &L){ //逆向建立单链表
    LNode *s;
    int x;
    L = (LinkList)malloc(sizeof(LNode)); //建立头结点(初始化空表)
    L->next = NULL; //尾指针结点置空
    scanf("%d",&x); //输入结点的值
    while(x!=9999){ //输入9999表示结束
        s=(LNode *)malloc(sizeof(LNode)); //创建新结点
        s->data = x;
        s->next = L->next;
        L->next = s; //指针指向新的表尾结点（永远表示r指向最后一个结点）
        scanf("%d",&x);
    }
    return L;
}
时间复杂度

随问题规模变化，为O(n)

重要应用！！！链表的逆置

思考：不带头结点咋子整？

单链表的局限性

单链表每个结点都只指向下一个结点而不指向上一个，检索时只能从头检索无法逆向检索，有时便不太方便。因此有双链表解决这个问题。

posted @ 2022-07-04 22:13  易奔二  阅读(142)  评论(0)  编辑  收藏  举报